[0001] 相关申请的交叉参考

[0002] 本申请要求2004年1月22日提交的美国申请No.60/538,338的优先权。

[0003] 本发明涉及(金属)线材成形和连接领域，尤其涉及将线材连接到中空管道系统上的镦粗(顶锻)的应用。

[0004] 虽然线材成形可以使用较宽范围的线材直径，但是线材成形制造允许通过对通常直径约为0.25英寸的线材坯料进行加工来快速生产定制部件。当将线材成形部件典型地通过点焊连接在一起时，可以产生强度较大且重量较轻的框架。由于这些部件的强度、重量以及弹性，线材成形结构在汽车工业中已得到普遍接受。

[0005] 将线材成形部件连接到扁平的金属部件上对线材成形工业来讲不很困难。在许多情况下，线材可以焊接到扁平部件上，或者甚至更有利地可以穿过扁平部件上的孔，在后者的情况下，电流可以作用在所述孔两侧的线材上，从而将已经穿过所述孔的线材的端部加热成塑性状态。当受热时，线材可以在扁平部件上发生变形，从而形成热电阻对接焊。热镦粗或热电阻对接焊是用于在所选择的点处扩大长形工件的公知技术，且总体上在Bachmann的美国专利No.3,396,567中有描述。

[0006] 虽然希望或者有必要将成形线材连接到扁平金属件上，但是在许多情况下优选将线材成形部件连接到金属管道系统上。中空金属管道系统通常具有比实心扁平金属件更大的强度-重量比。传统上，线材成形部件焊接到金属管上，或者安装在焊接到金属管的支架上，然而，通常使用的点焊法需要较长的周期，不能产生足够一致的焊缝，且会由于焊熔金属飞溅和焊接溶渣而造成缺陷和卡嗒声。因为穿过中空管的整段线材以及从所述管伸出的端部被加热成塑性状态，所以先前在将成形线材连接到管道系统时使用电阻加热和镦粗技术的尝试没有获得成功。试图镦粗线材延伸通过管的部分通常仅会在管内形成金属块。

[0007] 因此，本发明的一个目的是，提供一种用于将线材成形部件以一致的模式连接到中空金属管上的技术，而不管在线材成形部件之间常见的微小部件变化。

[0008] 本发明的另一个目的是，用一种肉眼看得见且易于用机械检查的连接方式将线材成形部件一致地连接到金属管上。

[0009] 本发明的另一个目的是，提供一种几乎不会出现部件焊穿、焊熔金属飞溅或焊接熔渣的用于将线材成形部件连接到中空金属管上的方法。

[0010] 本发明的另一个目的是，降低通过点焊将线材成形部件连接到中空金属管所需的长周期时间，并降低这种连接的消耗成本。

[0011] 本发明的另一个目的是，提供一种用于将线材成形部件连接到由不同金属合金制成的金属管上的方法。

[0012] 根据本发明的目的，可以使用热镦粗法，在这种方法中，仅对已经穿过金属管壁上的开口的线材端部施加电流，因此仅使线材端部成为塑性状态。然后，在线材的受热塑性端部施加机械压力，将线材机械地锁定在金属管上。因为电流没有穿过线材在金属管内的部分，所以即使当在端部施加压力时线材的所述部分仍然保持结构完整性，并且受热塑性端部不能被推入管的内部，而是必须在管的外表面上发生变形。

[0013] 在下面对本发明的优选实施例的详细说明中，本发明的这些和其它目的将变得非常明显。附图说明

[0014] 在附图中：

[0015] 图1是管和将固定到该管上的成形线材的分解透视图；

[0016] 图2A是穿过管侧壁上的孔安装的成形线材的透视图；

[0017] 图2B是沿图2A中的线B-B的管和成形线材的端视图；

[0018] 图3A是连接有用于传统热镦粗的电极的线材和管的端视图；

[0019] 图3B是将热镦粗用于图3A的传统组件的结果；

[0020] 图4A是根据本发明将电极应用于线材端部的视图；

[0021] 图4B是根据本发明将成形线材热镦粗到管上的结果；

[0022] 图5A示出汽车座椅上的ISOFIX锚的位置；

[0023] 图5B示出儿童汽车座椅与ISOFIX锚的连接；

[0024] 图5C单独示出现有技术的ISOFIX锚；

[0025] 图6示出具有两个根据现有技术焊接到管上的ISOFIX锚的ISOFIX支承横杆；

[0026] 图7是根据本发明制造的ISOFIX支承横杆的平面图；

[0027] 图8A是根据本发明的ISOFIX支承横杆的支架部件的透视图；

[0028] 图8B是根据本发明的ISOFIX支承横杆的部件的端视图，示出图8A的支架的安装；

[0029] 图8C是根据本发明制造的ISOFIX支承横杆的端视图；

[0030] 图8D是本发明的另一个实施例的端视图，其中，线材包括两个弯曲部，以提高管与线材之间的连接强度；

[0031] 图9A示出根据本发明管和成形线材在镦粗装置中的定位；

[0032] 图9B示出根据本发明电极与成形线材端部的接触；

[0033] 图9C示出根据本发明成形线材的受热端部的热镦粗；

[0034] 图9D示出根据本发明完成将线材成形部件热镦粗到管上；

[0035] 图10A是与线材成形部件相连接的另一代表性管道系统的平面图；

[0036] 图10B是图10A的组件的侧视剖视图，示出使用热镦粗法将线材成形部件固定到组件的管道系统上；

[0037] 图11A是在本发明中使用的镦粗压力机的透视图；

[0038] 图11B是图11A的镦粗压力机的用于保持管道系统和受热并被锻造的成形线材的托架的透视图；

[0039] 图11C是单独示出图11A的镦粗压力机的工作部分的透视图；

[0040] 图11D是图11A的镦粗压力机的工作部分的另一透视图。

[0041] 在图1中，示出代表性的管20和成形线材40。管20由金属圆柱壁21形成，所述圆柱壁限定内腔22，并且管20具有第一端部23和相对的第二端部24。管20的外表面上的开口25限定向前基本穿过管横截面的中心点直到对侧管壁上的开口25’的路径。工件(成形线材)40具有中央部42、第一支腿部41和第二支腿部43，每个支腿部都具有端部45。在支腿部41、43与中央部42之间通常是在成形线材40上的弯曲部44。

[0042] 在图2A中示出具有穿过孔25、25’的支腿部41、43的成形线材40。支腿部41、43的端部45延伸穿过管的内腔22，并穿过开口25’而从管壁21的对侧伸出。图2B是沿图2A中的B-B线的剖视图，示出基本延伸穿过内腔22的中心的第一支腿部41以及延伸到管壁21外侧的端部45。

[0043] 在传统的电阻加热应用中，第一电极50在工件-在这个实施例中是管20-的一侧作用在成形线材40上，其中，所述一侧是成形线材将连接在其上的一侧，第二电极55作用在位于工件的另一侧的成形线材40上。当用于是实心金属件的工件时，这不会出现任何问题；然而，管20的开口内腔22不会对延伸穿过管内腔的支腿部41提供支承。因此，当第一电极50向位于管20一侧的成形线材40施加电流，以便电流可以通过支腿部41流到位于管20的另一侧的第二电极55时，支腿部41位于电极50和55之间的整个部分都被加热成塑性状态。当砧座电极55施加压力时，支腿部41简单地变形并且端部45轻微变厚或镦粗，而使成形线材40锁定成相对于管20固定。

[0044] 因此，如图4A所示，当将成形线材40连接到管20上时，第一电极50和砧座电极55只与支腿部41的向前完全穿过管20的远端部分接触。这样，仅成形线材40的端部45成为塑性状态，并且在第一电极50脱离接触后，带有冲模头结构56的砧座电极55冲压端部45。由于支腿部41没有变成塑性状态，因此当端部45被压扁以与冲模部(冲模头结构)56的形状相吻合时该支腿部提供了支承，从而将成形线材40连接或锁定成相对于管20固定。

[0045] 可以看出，成形线材40和管20之间的部分锁定或连接动作可以通过镦粗完成，使在管20第一侧的弯曲部44与被压成扁平的端部45’之间的距离恰好为管20的直径。因此，在以下情况下特别希望使用本技术，即，没有用于线材40的安装支架10或压力板来更广地分散由扁平端部45施加到管20上的应力时，所述应力是由作用在线材40上的力而产生的，并且支腿部41在支腿部41和成形线材40的剩余部分之间具有弯曲部44，所述弯曲部至少约90°且典型地小于160°。

[0046] 将成形线材镦粗到金属管上的具体应用可以进一步解释本发明的优点。此应用是制造ISOFIX支承件。为了确保儿童安全座椅在汽车上的正确安装，目前通常优选或需要用于将儿童安全座椅固定在汽车上的锚固点。术语“ISOFIX”是指国际标准化组织制定的国际标准。具有相同或相似意思的其它术语包括诸如“较低的通用锚固系统”等的一般术语、“LATCH”或针对儿童的较低的锚和系绳，CANFIX是指加拿大制定的标准。任何“通用的”儿童座椅锚固系统的目的都是允许不同的儿童安全座椅在不同汽车上的兼容性安装。因此，可以认为在本专利申请中所提到的术语“ISOFIX”包括或暗示其它任何通用锚固系统。因此，有必要在位于座垫部分61和靠背部分62之间的汽车座椅弯曲部63内设置例如在图5A到5C中由线材环70提供的ISOFIX锚。这样，用于保持夹子66的带64可以在儿童安全座椅60的两侧连接在安全座椅60和线材环(wire loop)70之间，以确保将儿童座椅60可靠地安装到汽车上。如图5C所示，线材环70仅安装在扁平金属横杆71上。与类似强度的金属管相比，扁平金属横杆坯料较重且较昂贵。因此，如图6所示，改进的现有技术ISOFIX支承件使用具有线材环140的管120，该线材环140具有端部145，该端部接合在所述管120内并通过安装支架130保持在管的合适位置处。然后，安装支架130通过点焊136固定在管120上。

[0047] 如图6所示，线材环140具有中央部142，该中央部延伸到弯曲部144，然后延伸到很短的支腿部，该支腿部仅部分地穿过管120的内部并终止于端部145。弯曲部144典型地约为180°，以便当线材环140的中央部142被拉离管120时ISOFIX支承件110的强度最大。安装支架130具有通过焊缝136固定在管120上的翼(wing)134。每个翼134连接到曲线部分(焊缝)136上，该曲线部分与线材环140的一侧相接合并连接到中央板部分135。曲线部分136用于与翼134和焊接一起限制线材环140的运动。

[0048] 这种结构具有焊接的所有缺点，包括：在支架130和管120之间存在缺陷焊缝136的可能性，存在使管的强度降低的管120焊穿的可能性，以及存在导致缺陷的焊熔金属飞溅或熔渣的可能性。另外，与镦粗法相比，焊接法本身就较慢。因此，在图7和图8中对根据本发明使用镦粗法改进的ISOFIX支承件10进行了描述。

[0049] 改进的ISOFIX支承件10总体上也由管20、支承支架30以及线材环40构成。如图8A所示，支架30具有中央板部分35，该中央板部分包括位于一端的弯曲线材接合板36和位于另一端的翼34。翼34支承右背板32和左背板33，所述背板具有狭槽，以容纳线材环40的端部45。弯曲接合板36限制线材环40相对于支承支架30的运动，并可以包围线材的圆周的一半以上。弯曲接合板36也可以与翼34一起操作，以在镦粗后帮助保持线材环40相对于管20的方向。

[0050] 如图8B所示，成形线材环40具有穿过管20的第一孔25的端部45，以便支腿部41完全延伸穿过管20的内腔22并从相对的第二孔25’伸出。大约为135°的弯曲部44将成形线材环40的中央部42与支腿部41分开。然后，支架30在环40的中央部42上滑动，以便在前板35两侧的弯曲支承部36趋向于支承环40的侧面，每个翼34的一部分都靠在管20的壁21上并定位背板32、33，以便端部45通过背板的狭槽31伸出。根据本发明镦粗后，端部45被弄平为在背板32、33上的镦粗端部45’。背板32、33用于提供用于砧座电极在其上工作的平表面，并且在使用过程中用于将作用在线材40上的压力分散到比在其它情况下大的管20的面积上。因此，板的使用不仅有利于镦粗工艺，而且增强了成形线材40和管20之间的连接。同样，如在图8D中的另一个实施例所示，预先形成的线材40的支腿部41可以穿过管20的第一孔25，以便支腿部41完全延伸穿过管20的内腔22并从相对的第二孔25’伸出。从而，使用本发明的镦粗法能增强成形线材40和管20之间的连接。可以看出，成形线材40具有附加的或第二弯曲部，其中，第二弯曲部优选与管20接触，以提供附加的强度。独立的实验室试验显示，现有技术提供了1875英镑的平均拉力，相对于1573英镑的LSL需求，在CPL或Cpk为0.59时失效。在图8D的结构中，本发明提供了5358英镑的平均拉力，在CPL或Cpk为1.83时失效一实际上在ISOFIX管连接锚失效之前线材本身就失效了，该显著结果无需使用任何辅助支架30就能获得。

[0051] 图9A至9D示出用于形成镦粗端部45’的方法，其中，所述镦粗端部45’用于将成形线材40和支架30可靠地保持在管20的合适位置处。具体地，将带有支架30和成形线材40的管20放置在镦粗压力机69的托架78内。电源70分别通过第一电极电缆71和第二电极电缆72向第一电极74和第二砧座电极75提供电流。可以通过液压、气动或者电操作的线性致动器73使第一电极74和第二砧座电极75靠近管、支架以及线材组件。

[0052] 如图9B所示，使第一电极74与线材支腿部41的完全延伸通过管20的内腔以及背板32、33的狭槽31的部分接触。第二砧座电极75与线材40的支腿部41的端部45接触。电流流过线材40的该部分使该部分受热并使其成为塑性状态。如图9C所示，第一电极74通过线性致动器73从塑性线材部分缩回，而第二砧座电极75挤压线材40的塑性端部部45，从而使线材端部45镦粗成为砧座端部75的冲模头的形状，并形成将支架背板32、33锁定在管20上的镦粗端部45’。当线性致动器74从当前完成的ISOFIX组件10缩回第二砧座电极75时，可以在图9D中看到镦粗连接。所获得的结构不是通常地焊接而成，而是使线材、支架以及管一起形成更加机械的锁定而成为一个整体，因为焊接可以理解为将不同的金属件真正地熔合成单个件。各部件之间的连接在结构上非常可靠，因此在初步的实验室试验中部件之间的锁定不会失效，而是在超过20,000牛顿的力下管结构才失效。

[0053] 如图10A和10B所示，镦粗法在将线材连接到管道系统方面得到普遍应用。图10A示出由第一弯曲管320和第二直管220形成的管结构210，第一弯曲管320具有第一端部323和第二端部324，第二直管220具有第一端部223和第二端部224，其中，第一端部323、
223和第二端部324、224焊接在一起，以形成总体上为矩形的框架。线性线材240与框架交叉，每个线性线材240都包括中央部242、弯曲部244、如图10B所示的延伸穿过管320、220的内部的支腿部241以及将线材240锁定在管320、220上的镦粗头245’。由于弯曲部244约为90°并且成形线材240的每一端都紧固在管道的框架上，因此该结构不需要支架或压力板。然而，在某些情况下，希望包括在管320、220和镦粗端部245之间的板或包括具有这种板的支架。支架可以帮助更好地定位线材240，而压力板可以有利于线材端部245的镦粗，并可以当在线材240的中央部242上施加力时更好地分散镦粗端部245’施加在管道系统上的压力。还示出附加的成形线材340连接到弯曲管320上。线材340具有如图10B所示的镦粗端部345’、延伸穿过管320的内腔的支腿部341、弯曲344以及中央部342。

[0054] 将线材340、240连接到这种管结构的现有技术涉及将线材端部插入到管的一侧上的孔，但是线材端部没有完全延伸通过管而从相对侧伸出。相反，将靠近弯曲部分344、244的线材焊接到管壁上。这种焊接会造成管的焊穿或其它结构破坏，从而降低了结构强度。另外，焊熔金属飞溅会在部件上形成需要额外精加工的表面瑕疵，并且焊熔金属飞溅会导致从中空的管道系统中发出卡嗒声。

[0055] 而且，不通过复杂的和浪费时间的成像技术检查在线材和管之间的焊缝是不切实际的。相比之下，本发明的镦粗连接法可以用肉眼精确地检查，并且甚至可以用机器视觉进行质量控制，因为只有线材端部45’的形状对于线材与管的有效连接是必须的，而不是象焊接一样将不同零件的金属真正融合在一起。

[0056] 图11A到11D更详细地公开了镦粗压力机69。在图11A中，示出整个镦粗压力机69具有保持还未镦粗的ISOFIX组件10的部件的托架组件78。电源70分别通过第一电极电缆71和第二砧座电极电缆72向第一电极74和第二砧座电极75提供电流。线性致动器
73使第一电极74和第二砧座电极75靠近ISOFIX组件10。

[0057] 图11B单独示出托架78和未镦粗的ISOFIX组件10，尤其示出在镦粗过程中分别与第一电极74和第二砧座电极75相接触的伸出的支腿部41和端部45。为了获得最好的镦粗，将线材环40的中央部保持在合适位置处，且使背板32、33朝上。

[0058] 图11C和图11D示出镦粗压力机69的工作部分略微变化的透视图，该镦粗压力机69具有成对的第一电极74和第二砧座电极75，所述电极定位成与每个线材环40的端部45和支腿部41相接触。在图11C中，可以看见管20的空腔以及支腿部41的位于该空腔内的且未被在电极74、75之间流动的电流加热的部分。

[0059] 所述的热镦粗法消耗电能，以提供使线材端部变成塑性状态所必须的电阻加热。另外，会随着时间的流逝消耗电极。这种能量和电极的消耗的成本比现有技术制造工艺中消耗的气体、线材和焊接设备的成本低得多。

[0060] 本领域的技术人员将会受到本文所描述的结构和方法的很多变化的启示。应该理解，为了说明本发明的本质所描述和示出的部件的细节和布置不应认为对本发明有任何限制。所有没有脱离本发明的精神的各种变化都将包含在所附的权利要求的范围内。