非磁性凸轮轴轴颈及其制造方法 |
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| 申请号 | CN201010520949.6 | 申请日 | 2010-10-22 | 公开(公告)号 | CN102039406A | 公开(公告)日 | 2011-05-04 |
| 申请人 | 通用汽车环球科技运作公司; | 发明人 | S·G·瓦卡德; | ||||
| 摘要 | 一种非 磁性 凸轮 轴轴颈及其制造方法。该方法利用动 力 磁性压制以及奥氏体锰 钢 粉末金属前体。沿 凸轮轴 形成的轴颈设置为与互补的 轴承 表面协作，并可与一个或多个 传感器 一起使用，使得轴颈不会磁性干扰传递到这些传感器的 信号 。当动力磁性压制完成时，还可对轴颈进行加工、 烧结 或这两种操作。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种利用动力磁性压制制造凸轮轴轴颈的方法，所述方法包括： |
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| 说明书全文 | 非磁性凸轮轴轴颈及其制造方法技术领域背景技术[0002] 汽车发动机凸轮轴用于与内燃机中的活塞、燃料和氧气的运动同步地打开和关闭气门。典型的凸轮轴包括旋转轴，该旋转轴具有沿轴的长度安装的成组(或成套)设置的多个凸角，其中每个组设置为与每个发动机汽缸中的一个或多个气门协作。当凸轮轴旋转时，依据相应的活塞所在的运转周期的阶段，凸角选择性地促使弹簧加载的气门打开或关闭。 [0003] 通过凸轮轴上的多个轴颈与形成于壳体中的互补形状的轴承的协作，凸轮轴被安装到凸轮轴壳体、汽缸盖或相关的发动机结构。凸轮轴轴颈沿轴长度间断地间隔开使它们分隔各个凸轮组。在运转过程中，轴颈与轴承理论上不接触，因为油或相关的润滑油介入到它们之间而在它们相邻的表面之间形成薄膜。在本公开的其余部分中，轴颈与轴承相互接触的设置将被解释为也包含两个表面仅被润滑油的薄膜分隔的上述的情况。 [0004] 即使通过这种润滑油，环境也很恶劣，因为很高的温度、转速、伴随的径向载荷以及对于长期不需要护理运转的需求要求用于凸轮轴的轴颈由可形成非常紧密的公差的高强度材料制成。而且，大规模的生产要求尽可能廉价地制造轴颈。 [0005] 奥氏体锰钢(也称作哈德菲尔钢或谢菲尔德钢)展示了可能可用于凸轮轴轴颈的许多期望的特性，原因如下：这些特性包括很好的耐磨性、刚性、韧性以及非磁行为的特征，非磁行为的特性至关重要因为其允许轴颈位于一个或多个可用于提供关于凸轮轴旋转状态或相关的发动机运转状态的信息的磁性位置传感器附近。传统地，奥氏体锰钢制造为铸件形式；然而，铸造具有在晶界处产生许多易碎的碳化物的趋势。热处理(例如，加热到奥氏体区域并随后进行水淬火)使碳化物破裂以允许进行加工和其它的后铸造操作，但必须需要附加的处理步骤。在铸造奥氏体钢中还出现了其它的困难。例如，仅允许最小量的研磨，因为这种研磨引起材料经受加工硬化的大幅增大以及可加工性的附随的减小。也可利用在升高温度下(例如，达到1100℃)热锻造烧结的粉末压块；然而，该方法不适于大规模生产，并因此在商业上不可行。为了避免可加工性的这些困难，由奥氏体锰钢铸造的大多数部件避免进行这些附加步骤，这很不利地导致部件不能充分利用材料性能。 [0006] 还构想到制造奥氏体锰钢的其它方法，例如，粉末冶金术(PM)。在PM中，加工程序通常包括挤压(或压制)粉末、随后烧结。不利的是，最终的元件倾向于具有比上述的传统铸造的机械特性差的机械特性。具体地，合金的锰和铬的高氧亲和力导致材料的高多孔性以及机械特性随之降低。而且，需要一定程度的后烧结加工，并且如上所述奥氏体锰钢不能被改变以进行加工。可利用其它的工艺，例如，在升高的温度下进一步处理(例如，锻造)烧结的粉末压块的动力热压(DHP)。这些工艺也具有缺陷，因为与生产规模变大、微观结构的尺寸控制和均匀性相关的问题可能使该方法不能被结晶所接受。 [0007] 因此，期望开发出适于大规模生产同时能够充分利用材料的结构特性的制造奥氏体锰钢的方法。更具体地，期望基于奥氏体锰钢生产凸轮轴轴颈和其它大体积生产部件，利用能够以最小量的加工或者不加工形成接近最终形状的工艺制造奥氏体锰钢。 发明内容[0008] 这些目的可通过本发明实现，其中披露了改进的发动机部件及制造这种部件的方法。根据本发明的第一方面，披露了利用DMC制造非磁性的凸轮轴轴颈的方法。该方法包括提供具有与待形成的凸轮轴轴颈的外部轮廓大体相似的内部轮廓的模具或相关的工具，其中可利用最终将形成奥氏体锰钢的配制的粉末，术语“大体上”表示：尽管在理论上预期展现出精确的结果或行为的元件或特征的布置在实践中可能表现出稍逊于精确的结果或行为。因此，该术语表示量值、度量或其它相关的表现可不同于所述基准但不会造成讨论的主题的基本功能发生改变的程度。 [0009] 在一种形式中，奥氏体锰钢成粉末状。另外，该方法可选择性地包括将第二材料放置在轴颈的模具内部轮廓的一部分中。如上所述，该方法尤其涉及保持(或靠近)位置传感器的端轴颈的制造。通过加入两种不同的粉末(即，一种粉末将形成奥氏体锰钢，而另一种粉末用于提高可加工性)，可利用用于形成具有特定特性的轴颈的混合方法。这种方法可用于制造继承可加工硬化材料的优点同时还在特定的轴颈位置(例如，上述的位置传感器所在的位置)保持奥氏体锰钢的非磁性特性的外层。以这种方式，可审慎地设置奥氏体锰钢，由此实现可加工性更大、价格或其他次要性质更低的材料，该材料(除具备不同的磁性特性以外)可具备不同于奥氏体锰钢的磨损、摩擦或相关摩擦学特性。这种第二粉末可选自金属粉末、陶瓷粉末以及金属粉末和陶瓷粉末的组合物。例如，使材料具有更好的可加工性和可成形性允许利用任何传统的组装方法将轴颈组装在凸轮轴上。 [0010] 可采用其它的可选步骤。例如，可利用DMC将奥氏体锰钢压制为生(即，在烧结之前)前体，之后这种前体可被强化。生前体的这种强化可包括烧结。而且，一个或多个附加形状可在烧结之前在轴颈中形成。在一种形式中，在生状态下加工可用于形成润滑油通道。在油路可能有用的构造中，在生状态下形成油路可能是有益的。这种加工可在任何热处理或相关的强化方法之前执行。在一种形式中，通过将粉末形式的奥氏体锰钢放置在导电衬套或相关的电枢中，并随后使电流流经围绕粉末材料和电枢设置的线圈，使得电流感应产生磁场并随之产生施加到电枢和电枢中容纳的粉末金属的磁压力脉冲，实现DMC。在另一选择中，可在惰性或相关的保护气氛中烧结之前执行在成形之后对轴颈的加工。 [0011] 根据本发明的另一方面，披露了制造凸轮轴轴颈的方法。该方法包括提供模具、样板或相关的结构，它们具有大体限定凸轮轴轴颈的外表面的内部轮廓，可压制的奥氏体锰钢被放置于其中。根据前面的方面，比现有技术DMC工艺优越的一个显著的优点是可形成非轴对称及相关的不规则的形状。 [0012] 可选地，奥氏体锰钢在被放置在模具之前为粉末形式。在其它选择中，可执行附加步骤，例如烧结或相关的热处理、加工或上述操作的组合，从而使凸轮轴为更持久的形式。与第一方面相同，该方面还可包括具有不同于奥氏体锰钢的摩擦学特性的材料。以这种方式，可有计划地将具有特定组成的金属合金放置在凸轮轴轴颈的外表面的多个部分上，从而使材料特性满足凸轮轴轴颈的需要。可替换地，可将可加工性更大的或钢的可磁化成分粉末放置到轴颈内。 [0013] 根据本发明的另一方面，披露了一种制造凸轮轴轴颈的方法。该方法包括：提供具有大体限定轴颈的外表面的内部轮廓的模具；将可压制的奥氏体锰钢放置在模具内部轮廓的至少一部分中；以及利用DMC至少形成轴颈。 [0014] 可选择地，该方法包括利用粉末状奥氏体锰钢。在更具体的形式中，可在通过DMC工艺形成轴颈之后，对轴颈执行加工、热处理或这两种操作。例如，如上所述，可在轴颈仍处于生状态时在轴颈中加工通道。 [0015] 根据本发明的又一方面，披露了由多种前体成分制造轴颈的方法。该方法包括利用多种钢粉末，一种钢粉末相应于适合于轴颈的一部分的相对可加工的合金，其余的钢粉末相应于适合用于轴颈的另一部分的大体无磁性的合金。 [0016] 在一种可选的形式中，该方法包括轴颈至凸轮轴的连接或相关的组装。在另一选择中，相对可加工的成分将具备相对的磁性，因而该成分的使用局限于轴颈的内部部分。而且，大体无磁性的成分(例如，典型地，哈德菲尔钢)可在轴颈的暴露的外部部分上使用。在另一选择中，该形式的第一部分和第二部分沿旋转轴线分布，以便当形成由形式制成的轴颈时第一和第二钢前体(例如，相应于有磁性和无磁性的钢)大体占据轴颈的不同的轴向部分。在另一形式中，磁性材料部分可由能够设置在轴颈的一个轴向端部处或附近的独立的圆盘或板形成，以便在使用传感器获取关于凸轮轴、圆盘或板(可使其与凸轮轴和轴颈一起旋转)的旋转信息的情况中传感器可与圆盘或板周缘中形成的不连续、中断或相关的变化协作获取旋转信息。 [0017] 本发明还提供了以下方案： [0018] 方案1.一种利用动力磁性压制制造凸轮轴轴颈的方法，所述方法包括： [0019] 提供具有大体限定所述轴颈的外部轮廓的内部轮廓的凸轮轴模具； [0020] 将粉末状奥氏体锰钢放置在所述内部轮廓的至少一部分中，使得当通过所述凸轮轴模具形成所述轴颈时相应于所述轴颈的所述外部轮廓的至少该部分由所述奥氏体锰钢制成；以及 [0021] 使所述凸轮轴模具中的所述粉末状奥氏体锰钢经受所述动力磁性压制。 [0022] 方案2.如方案1所述的方法，其中所述动力磁性压制包括将所述粉末奥氏体锰钢压制成生前体。 [0023] 方案3.如方案2所述的方法，还包括强化所述生前体。 [0024] 方案4.如方案3所述的方法，其中所述强化所述生前体包括烧结。 [0025] 方案5.如方案3所述的方法，其中所述强化所述生前体包括加工。 [0026] 方案6.如方案3所述的方法，还包括在所述烧结之前在所述轴颈中形成附加形状。 [0027] 方案7.如方案1所述的方法，还包括设置与所述轴颈进行信号协作的位置传感器，使得所述轴颈的大体无磁性质使所述轴颈大体不引起在所述轴颈所联接的旋转的凸轮轴与所述传感器之间传递的信号的任何衰减。 [0028] 方案8.一种通过方案1的方法制造的凸轮轴轴颈。 [0029] 方案9.一种制造凸轮轴轴颈的方法，所述方法包括： [0030] 提供具有大体限定所述轴颈的外部表面的内部轮廓的模具； [0031] 将可压制的奥氏体锰钢放置在所述模具的所述内部轮廓的至少一部分中；以及[0032] 通过动力磁性压制形成所述轴颈。 [0033] 方案10.如方案9所述的方法，其中所述奥氏体锰钢在被放置到所述模具中之前为粉末形式。 [0034] 方案11.如方案9所述的方法，还包括在所述形成之后热处理所述轴颈。 [0035] 方案12.如方案11所述的方法，其中所述热处理包括烧结。 [0036] 方案13.如方案9所述的方法，还包括在所述形成之后加工所述轴颈。 [0037] 方案14.如方案13所述的方法，还包括在所述加工和形成之后烧结所述轴颈。 [0038] 方案15.如方案13所述的方法，其中所述形成之后加工所述轴颈发生在保护气氛中的烧结之前。 [0039] 方案16.如方案9所述的方法，还包括在所述形成之后加工和热处理所述轴颈。 [0040] 方案17.一种制造凸轮轴轴颈的方法，所述方法包括： [0041] 提供具有大体限定所述轴颈的外部表面的内部轮廓的模具； [0042] 将可压制的奥氏体锰钢放置在所述模具的所述内部轮廓的至少一部分中；以及[0043] 通过动力磁性压制至少形成所述轴颈。 [0044] 方案18.如方案17所述的方法，其中所述可压制的奥氏体锰钢在所述形成之前为粉末形式。 [0045] 方案19.如方案18所述的方法，还包括在所述形成之后执行加工和热处理所述轴颈中的至少一者。 [0046] 方案20.一种从多种前体成分制造凸轮轴轴颈的方法，所述方法包括： [0047] 限定大体相应于所述轴颈的形状的形式； [0048] 将第一钢前体设置在所述形式的第一部分中，所述第一钢前体构造为使所述轴颈的与第一钢前体相应的部分具备相对可加工的性质； [0049] 将第二钢前体设置在所述形式的第二部分中，所述第二钢前体构造为使所述轴颈的与第二钢前体相应的部分具备大体无磁的性质；以及 [0050] 将动力磁性压制施加到所述形式中的所述第一钢前体和所述第二钢前体。 [0051] 方案21.如方案20所述的方法，其中还包括将所述轴颈连接到凸轮轴上。 [0052] 方案22.如方案20所述的方法，其中所述形式的所述第一部分相应于所述轴颈的外表面的至少一部分，所述形式的所述第二部分相应于所述轴颈的内表面的至少一部分。 [0053] 方案23.如方案20所述的方法，其中所述形式的所述第一部分和所述第二部分沿所述轴颈的旋转轴线分布，使得所述第一钢前体和所述第二钢前体大体占据所述轴颈的不同的轴向部分。 [0054] 方案24.如方案23所述的方法，还包括在所述轴颈的相应于所述形式的所述第一部分的部分中形成至少一个产生信号的中断。 [0056] 本发明的下面的详细描述通过结合下面的附图阅读可被更好地理解，在附图中，相同的结构由相同的附图标记表示，在附图中： [0057] 图1A至图1C示出了在现有技术的DMC工艺中用于制造圆柱形粉末部件的各个步骤； [0058] 图2示出了由现有技术的DMC工艺制造的圆柱形部分的俯视图； [0059] 图3示出了由根据本发明的一个方面的改型的DMC工艺制造的带有轴颈的凸轮轴的视图； [0060] 图4示出了图3的其中一个凸轮轴轴颈的另一视图； [0061] 图5A和图5B示出了在本发明的改型的DMC工艺执行之前(图5A)和之后(图5B)的简化模具和凸轮轴轴颈；以及 [0062] 图6示出了汽车发动机的局部剖面图，该发动机具有使用通过本发明的改型的DMC工艺制造的一个或多个轴颈的凸轮轴。 具体实施方式[0063] 首先参照图1A至图1C以及图2，示出了生产大体圆柱形部件的传统的DMC工艺。图1A示出了放置在导电圆柱形电枢20(也称作套筒)内的粉末材料10。线圈30连接到直流电电源(未示出)使得电流可经由线圈30传递。粉末材料10大体填满导电电枢20。具体地参照图1B，大量的电流40流经线圈30；该电流感应产生法线方向的磁场50，该磁场进而形成施加到导电电枢20的磁压力脉冲60。该径向向内的压力起到挤压电枢20的作用，使得粉末材料10在非常短暂的时间(例如，小于一秒)并在相对较低的温度下被压制为致密的部分。另外，可以(如果需要的话)在可控的环境中执行该操作，以避免污染被强化的材料。举例来说，流经线圈30的电流可约为100,000安培的量级、电压约为4,000伏，但将预见到，可使用电流和电压的其它数值，这取决于容器20和内部的粉末材料10的特性。具体地参照图1C，电枢20和粉末材料10示为由DMC工艺挤压(占据比图1A的之前的尺寸更小的横向尺寸)。 [0064] 具体地参照图2，示出了根据现有技术的概念的圆柱形DMC容纳结构的俯视图，其中疏松保持的粉末10被放置在导电的圆形容器20中以等待由大量电流突然流经线圈30形成的磁场产生的压紧力。该感生的电流形成第二磁场，第二磁场借助其大小和方向排斥第一磁场。这种相互的排斥引起容器20被挤压，这进而将压力施加于粉末10上，从而压紧粉末。线圈30设置在外部容纳外壳70内，以防止线圈30在受第二磁场排斥时径向向外膨胀。 [0065] 优选地，奥氏体锰钢的化学成分为：大约1.0到1.4重量百分比的碳(C)、大约10.0到15.0重量百分比的锰(Mn)、大约0.3到1.5重量百分比的硅(Si)、达到大约0.07重量百分比的磷(P)、达到大约0.07重量百分比的硫(S)以及余量的铁(Fe)。通过使用DMC将特殊配制的粉末挤压成具有期望化学成分的期望的形状，实现了处理该难以加工的材料类的新型方法。如上所述，随后可在生状态中加工该部件，之后根据需要在保护气氛中进行烧结。DMC不仅避免了PM多孔性，而且不需要昂贵的耗时的预热处理，因而DMC适于生部件加工和随后的热处理。 [0066] 接着参照图3，示出了限定大体细长的轴体的凸轮轴100，轴体具有沿轴体的长度轴向分隔的多个凸轮组110、120、130以及140，以第一凸轮组110为例，多个凸轮110A、110B以及110C在角度上相对于彼此偏置从而以本领域的技术人员公知的方式打开和关闭发动机阀(未示出)。如凸轮领域中的技术人员将理解的，凸角从每个凸轮110A、110B以及110C延伸以限定大体非轴对称的轴向轮廓。尽管凸轮轴100示为具有四个独立的凸轮组110、120、130以及140(可用作四缸发动机或八缸发动机的进气凸轮轴或排气凸轮轴)。 发动机领域的技术人员将预见到，符合特殊的发动机需要的不同的凸轮轴构造也在本发明的范围内。 [0067] 轴颈150、160、170、180以及190分隔地设置在各个凸轮组110、120、130以及140之间，并通过轴承将凸轮轴100的旋转载荷传递到凸轮轴壳体、汽缸盖或相关的发动机结构(均未示出)，轴承限定构成发动机结构的一部分的大体光滑表面。与各个凸轮组110、120、130以及140中的凸轮不同，轴颈150、160、170、180以及190限定了大体轴对称的轮廓以利于与各自的轴承光滑的旋转协作。作为将轴颈150、160、170、180以及180固定在轴承中的一种方法，凸轮盖(也未示出)可用于形成轴承的其余内圈。在一种形式中，可通过冷缩配合或其它已知的方法将轴颈150、160、170、180以及190到凸轮轴100。凸轮轴100可包括形成在轴体上或安装到轴体上的附加部件，例如，可与曲轴齿轮(未示出)啮合的齿轮 200以及可用于驱动分电器盖或油泵(均未示出)的齿轮210。如上所述，可将期望成分的预混合粉末导入到形成为凸轮轴100的各个部件(尤其是轴颈150、160、170、180以及190)的形状的模具腔中。 [0068] 接着参照图4，其中一个轴颈150示为联接到凸轮轴100的可放置齿轮(例如，图3中所示的齿轮210)或其它部件的部分上。普通钢的薄盘300与轴颈150的一端轴向邻接或接触地设置，并包括形成在其周缘的一个或多个槽305。在一种形式中，圆盘300可通过公知的装置刚性地附连到轴，从而以与轴颈150进而与凸轮轴100相同的速率旋转。圆盘 300可由传统的粉末金属方法形成或成形，随后在其中切割出槽305，圆盘300可与磁传感器400联合使用以产生相应于槽305的通路(以及它们的伴随的磁场不连续)的信号，这进而提供凸轮轴100的旋转状态的指示。电线405将来自传感器400的感测的信号传送到控制器(未示出)或相关的设备，以提供正时或其它的运转信息。锰钢成分及其附随的非磁性的特性将有益于轴颈150，否则，如果轴颈以磁性金属形式出现，将干扰传感器400中信号的产生。一个可选择的特征是，可在轴颈150中形成油(或润滑油)通道(未示出)，从而经由形成在轴颈150内的内部流体联接部将润滑油传送到轴承和轴颈150。 [0069] DMC成套工具(包括允许电流通过的导线)围绕模具腔设置。当电流流过(并随后产生一对相反的磁场)时，模具腔中的粉末被压紧为接近最终形状。类似地，如果需要，可以在可控气氛炉中进行任何烧结，其中熔炉中的氧气量被严密地控制，该步骤之后可进行受控的冷却，这种冷却可能包括或不包括水淬火。通过在最终烧结步骤之前进行加工或其它压制后操作中的任一者，本发明克服了现有技术的完全处理的奥氏体锰钢(及其附随的硬度)遇到的困难。以这种方式，可制造由于大尺度生产材料而迄今不可行的奥氏体锰钢轴颈。 [0070] 接着参照图5A和图5B，示出了用于通过根据本发明的一方面的DMC工艺制造凸轮轴轴颈的装置500。导电线圈530围绕衬套525(由诸如铜的高导电材料制成)缠绕，衬套525围绕容纳在模具550中的粉末物质540周向地设置。如所示的，在线圈530与衬套525之间存在间隙(例如，空气间隙)135。与传统的DMC相同，本发明的基于DMC的工艺利用流经线圈530的电流来将磁性压缩力施加于衬套525、模具550以及其中的粉末前体质540。 模具550的内表面具有与待形成的凸轮轴100的轴颈150期望的外部形状类似的形状。模具550可包括多个可构成各种形状((例如，四分之一圆)未示出)的可再使用的部分。通过在成形过程中包括适当成形的心轴或芯杆560，可在轴颈150中形成中心孔。衬套525被线圈530产生的磁压力挤压，模具550也被磁压力挤压；由此依次地引起粉末前体物质540在压缩力的作用下变形，从而形成生或未烧结的轴颈150，轴颈150可在之后经受传统的烧结、加工以及相关的抛光步骤(均未示出)。如上所述，独立的圆盘300(如图4所示)可联接到轴颈150、160、170、180以及190中的一个或多个，从而可使用传感器或相关的设备从凸轮轴100获得运转的参数(例如，旋转属性)。 [0071] 具体地参照图6，示出了包含凸轮轴100的汽车发动机1000的顶部的一部分，凸轮轴100具有构想的直接作用的推杆顶置凸轮设计的凸轮组110中的一个凸轮110A。汽缸盖1200包括具有相应的进气门1400和排气门1500的进气口1240和排气口1250以分别传送进入的空气并废弃的燃烧副产品，燃烧副产品由在气缸中的活塞1300与火花塞(未示出)之间进行的燃烧过程产生。当凸轮110A的凸角部旋转到与气门1500的顶部啮合时，凸角部使气门1500向下移动以克服弹簧1600形成的偏置力，由此促使气门1500打开并允许在活塞1500上方的汽缸中产生的废气排出。如前面所述的，凸轮轴100由外力(例如，曲轴(未示出))经由图4所示的齿轮200驱动，将预见到，还包括用于进气阀1400的相似的结构，但为了清楚从视图中省略。奥氏体锰钢的硬度确保轴颈150、160、170、180以及190可在持久的操作时间段内承受巨大的载荷，同时非磁性的特性确保其不会干扰设置在附近的基于磁性的传感器(例如，图4中所示的传感器300)。本领域的技术人员将预见到，所示的与发动机100相关联的包括直接作用推杆的气阀系结构仅作为示例，并且利用本文描述的DMC工艺制造的凸轮轴100及其轴颈150、160、170、180以及190同样可应用于其它的气阀系结构(未示出)。 |
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