用於在複合材料中形成內螺紋的系統和方法與流程

2023-12-10 04:59:21

本公開總體上涉及由複合材料製成的機動車輛部件。更具體地，本公開涉及一種用於在由這樣的複合材料形成的部件中設置內螺紋孔以允許將部件彼此固定或固定到其他相鄰部件的系統和方法。

背景技術：

提供複合車輛部件是已知的，其中部件的一部分是由金屬製成的並且部件的另一部分是由非金屬材料製成的。作為非限制性示例，凸輪託架(camcarrier)可以由用於附接到金屬車輛氣缸蓋(例如由鋁或其他加工或鑄造金屬製成)的非金屬材料製成。這樣的複合材料的示例包括由例如熱塑性塑料和熱塑性樹脂、纖維增強熱塑性塑料和熱塑性樹脂、碳纖維增強材料、凱夫拉爾(kevlar)增強材料、其它合成纖維增強材料以及諸如此類的材料製成的部件，該部件旨在被附接到由複合或非複合材料(例如鋁或其它金屬或合金)製成的其它配合部件。

在由複合(或非複合)材料製造車輛部件期間，通常需要設置內螺紋孔以允許將這樣的部件固定到其它配合部件。作為示例，製造熱塑性樹脂的凸輪託架並且包括多個內螺紋孔以允許將複合材料凸輪託架固定到由複合材料或其它材料製成的另一車輛部件是已知的。在車輛製造期間，凸輪託架與金屬氣缸蓋對齊並且被固定到金屬氣缸蓋，並且凸輪軸通過多個軸承被固定到凸輪託架。通常，這樣的內螺紋孔在鑄造、成型或以其它方式成形的複合材料中通過使用同時在其中形成所需內螺紋的鑽頭切割適當尺寸的孔來設置。

這樣的複合材料對於通過多種成型和鑄造工藝來製造車輛部件是適當地耐用的，並且提供更輕的重量的附加優點，更輕的重量進而實現更輕重量的車輛、改進燃料效率等優點。進而，因為複合材料可以通過更方便且更通用的鑄造或成型方法形成部件而不是僅通過將金屬加工成所需形狀而形成部件，所以製造更快且成本更低的更複雜的部件設計是可能的。然而，複合材料可能比常規金屬材料更不耐用，特別是當形成較薄元件(例如薄側壁、螺紋以及諸如此類)時。

由於與傳統金屬和合金相比複合材料的耐久性較差，所以製造商提供補充措施來解決與將複合部件彼此緊固或與相鄰的潛在非複合部件緊固相關的挑戰，也就是說，提供所需的夾緊力(clampload)同時降低複合材料螺紋(例如在複合材料中限定的孔)斷裂的可能性。這樣的措施包括使用粘合劑和/或具有和不具有擠壓限制器的金屬插入件，以在彼此緊固的相鄰部件之間提供所需的夾緊力並且增強複合材料螺紋可能的夾緊力。雖然對於它們的預期目的是有效的，但是這樣的措施增加了成本和製造過程的複雜性。

為了解決前述以及其它問題，本公開描述了用於在車輛和其他部件中設置內螺紋孔的系統和方法。有利的是，所描述的系統和方法提供具有在部件的預定部分中限定的螺紋孔的複合材料部件，以允許容易地將複合部件與鄰接的車輛部件對齊並將複合部件固定到鄰接的車輛部件。

技術實現要素：

根據本文所描述的目的和益處，在一個方面，描述了一種用於在成形部件中限定內螺紋孔的系統，該系統包含一個或多個螺紋成形工具，每一個螺紋成形工具限定螺紋成形部分。該系統進一步包括定位夾具，該定位夾具被構造成將一個或多個螺紋成形工具保持為限定要在成形部件中設置的內螺紋孔的圖案的預定構造。在實施例中，一個或多個螺紋成形工具各自進一步限定定位夾具跨接柄和移除工具接合頭。設置用於鄰接定位夾具的部件成形夾具，由此一個或多個螺紋成形工具保持在成形夾具的內部中。

在實施例中，螺紋成形部分包含多個螺紋成形表面，每一個螺紋成形表面限定螺距(pitch)、齒頂圓角半徑和齒根圓角半徑。因此，在使用中，螺紋成形工具的螺紋成形表面各自限定具有限定多個全齒頂半徑和多個全齒根半徑的內螺旋螺紋的孔。

在另一方面，提供了一種用於在成形部件中限定螺紋孔的方法，該方法包含提供一個或多個螺紋成形工具，每一個螺紋成形工具限定如上所述的螺紋成形部分，並且通過定位夾具將一個或多個螺紋成形工具保持為限定要限定的內螺紋孔的所需圖案的預定構造。接下來，定位夾具被設置成鄰近被構造成限定成形部件的成形夾具，由此一個或多個螺紋成形工具被保持在成形夾具的內部中。將部件成形材料分配到成形夾具中以圍繞一個或多個螺紋成形工具限定部件。該材料可以是複合材料。

然後移除定位夾具以露出具有由其保持的一個或多個螺紋成形工具的部件。根據本發明的一個實施例，本發明的方法進一步包括移除保持的一個或多個螺紋成形工具。一旦移除保持的一個或多個螺紋成形工具，就露出具有內螺紋孔的部件。

根據本發明的一個實施例，本發明的方法包括提供螺紋成形工具，每一個螺紋成形工具限定螺紋成形部分，該螺紋成形部分包含多個螺紋成形表面，每一個螺紋成形表面限定螺距、齒頂圓角半徑和齒根圓角半徑。

根據本發明的一個實施例，本發明的方法可選地包括將部件加工成最終所需的外部構造。

根據本發明的一個實施例，成形部件通過鑄造或成型工藝來提供。

根據本發明的另一方面，提供一種用於在複合材料中限定內螺紋孔的螺紋成形工具，該螺紋成形工具包含螺紋成形部分，該螺紋成形部分包含多個螺紋成形表面，每一個螺紋成形表面限定螺距、齒頂圓角半徑和齒根圓角半徑。

根據本發明的一個實施例，本發明的螺紋成形工具進一步包括定位夾具跨接柄。

根據本發明的一個實施例，本發明的螺紋成形工具進一步包括移除工具接合頭。

在下面的描述中，示出和描述了所公開的用於在車輛和其他部件中設置內螺紋孔的系統和方法的實施例。如應當認識到的是，該系統和方法能夠具有其他不同的實施例，並且其若干細節能夠在各種顯而易見的方面進行修改，而不脫離在以下權利要求中所闡述和描述的裝置和方法。因此，附圖和說明書應當被認為本質上是說明性的而不是限制性的。

附圖說明

併入本文並形成說明書的一部分的附圖示出了所公開的系統和方法的若干方面，並且與說明書一起用於說明其某些原理。在附圖中：

圖1示出了根據本公開的用於提供具有內螺紋孔的部件的系統；

圖2示出了根據本公開的定位夾具和相關的螺紋成形工具；

圖3示出了根據本公開的螺紋成形工具；

圖4示出了圖3的螺紋成形工具的螺紋成形部分；

圖5示出了包括設置在其中的多個螺紋成形工具的成形部件；

圖6示出了包括在其中形成的多個內螺紋孔的成形部件；以及

圖7示出了裝配到其他部件的圖6的成形部件。

現在將詳細參考所公開的用於在車輛和其他部件中設置內螺紋孔的系統和方法的實施例，其示例在附圖中示出。

具體實施方式

初步地，本公開描述了主要在機動車輛複合材料部件的背景下用於在成形部件中形成內螺紋孔的系統和方法。然而，技術人員將容易領會的是，該系統和方法同樣適用於需要成形部件具有內螺紋孔的任何製造情況。

參考圖1，提供了用於在成形部件中形成內螺紋孔的系統100。系統100包括被構造用於限定複合材料部件的成形夾具102。這樣的成形夾具102在本領域中是公知的，並且不需要在此進行廣泛的討論。然而，如已知的，成形夾具102內部限定要通過成型提供的部件的實質鏡像。因此，通過將合適的組合物分配到成形夾具102的內部，允許其乾燥或以其他方式固化，並且從成形夾具102中移除成形部件(在該視圖中未示出)，來提供所需部件。

系統100進一步包括定位夾具104，該定位夾具104被構造用於將一個或多個螺紋成形工具106保持為與要在由成形夾具102限定的複合材料部件中限定的孔的所需圖案對應的所需圖案。在圖1所示的實施例中，定位夾具104和成形夾具102各自限定大體上矩形的外部幾何形狀。然而，應當領會的是，用於定位夾具104和成形夾具102的任何合適的外部幾何形狀是可預期的，需要注意的是，夾具必須被構造成當鄰接時螺紋成形工具106被保持在成形夾具的內部以提供具有所需深度的孔。

如圖2所示，螺紋成形工具106被保持在定位夾具104中限定的孔中以提供所需的孔圖案，由此螺紋成形工具橫穿定位夾具的厚度，而工具的一部分被保持在定位夾具的第一表面處並且螺紋成形部分(下面詳細描述)被保持在定位夾具的第二相對表面處。在所示的實施例中，螺紋成形工具106被示為被保持在相對於由定位夾具104限定的平面大體上垂直的取向中。然而，根據要形成的所需孔的取向，螺紋成形工具106可以被保持在相對於由定位夾具104形成的平面成角度的取向中。

圖3描繪了與本公開的定位夾具104(在該視圖中未示出)一起使用的代表性的螺紋成形工具106。每一個螺紋成形工具106包括移除工具接合頭108、定位夾具跨接柄110和螺紋成形部分112。頭108被構造用於通過合適的移除工具(例如扳手、插頭、螺絲刀頭以及其他)接合。柄110可以包含根據預期的特定用途的各種長度和直徑/周長，例如以適應定位夾具104的特定厚度，以允許調節螺紋成形部分112相對於成形夾具102(未示出)的內部被保持的深度，以克服在極為接近的情況下的負主軸間隙，以及以支撐限定具有所需內直徑的孔的螺紋成形部分112。

螺紋成形部分112的一部分在圖4中示出。螺紋成形部分包含以螺旋的形式設置在圓柱體116上的多個脊(ridge)114。根據由此形成的螺紋的所需構造，脊114的任何合適的構造是可以預期的，例如以提供右旋螺紋或左旋螺紋、各種螺紋形式和螺徑(pitchdiameter)以及其它物理構造。在所示的實施例中，每個脊114限定全齒根半徑(fullrootradius)118和全齒頂半徑(fullcrestradius)120。也就是說，脊114被構造成在成形螺紋的根部和頂部中的每一個上提供圓角或倒角半徑。如應當領會的是，所描述的限定全齒根半徑118和全齒頂半徑120的脊114然後用作通過在螺紋成形工具106周圍分配合適的組合物而形成的孔內螺紋的鏡像。因此，使用所描述的螺紋成形工具106形成的孔將包含內螺旋形螺紋，該內螺旋形螺紋同樣包含具有全齒頂半徑和全齒根半徑的多個脊。如已知的，這樣的圓角或倒角將應力分布在更廣的表面區域上，並且因此具有這樣的結構的螺紋更耐用並且可以承受更大的載荷。這樣的脊構造還消除了容易損壞的尖銳螺紋邊緣。

在使用中(參見圖1)，包括一個或多個螺紋成形工具106的定位夾具104被定位成鄰近成形夾具102，由此螺紋成形工具被保持在成形夾具的內部中。應當領會的是，根據要在成形部件中的特定位置處形成的所需孔內直徑，可以設置具有相同或不同直徑的螺紋成形部分112的一個或多個螺紋成形工具106。例如，更大直徑的螺紋成形部分112可以被用於提供較大內直徑的孔，從而允許在成形部件的一部分中使用更大直徑且因此更牢固的緊固件，與部件的其它部分相比，該部分需要與另一部件更牢固的連接。

如圖所示，定位夾具104和成形夾具102被構造成並且尺寸適於使得定位夾具基本上限定用於成形夾具的蓋子。然而，替代構造是可預期的。例如，定位夾具104和成形夾具102可以並排設置，或者定位夾具可以限定用於成形夾具的底板。可選地，為了易於移除，螺紋成形工具106的至少一部分可以塗覆有脫模劑或隔離劑或其它合適的潤滑劑。

接下來，用於限定要形成的部件的合適的組合物被分配到成形夾具102的內部中。用於形成例如機動車輛和其它部件的多種可成型的組合物是已知的，包括但不限於熱塑性塑料和熱塑性樹脂、纖維增強熱塑性塑料和熱塑性樹脂、碳纖維增強材料、kevlar增強材料、其它合成纖維增強材料以及諸如此類。同樣地，在機動車輛和其它工業中，許多鑄造和/或成型技術是已知的並且可預期用於當前所描述的方法，包括但不限於注射成型、吹塑成型、基體成型(matrixmolding)、旋轉鑄造(spincasting)、反應注射成型(rim)、結構rim以及其他。

允許組合物乾燥、凝固和/或以其他方式固化，從而限定所需的成形部件122。一旦組合物已乾燥/固化，定位夾具104和成形夾具102被移除(參見圖5)，留下以由定位夾具限定的圖案設置在成形部件122內的螺紋成形工具106。如應當領會的是，由螺紋成形工具106形成的孔同樣將被設置成由定位夾具限定的圖案。為了方便起見，成形部件122被描繪為具有大體上矩形的外部構造。然而，技術人員將理解的是，部件122將以所需的大體上所需的最終構造離開成形夾具102，可能可選地加入最終加工和/或清除步驟以提供部件的最終完成的外部構造和/或以去除由於成型或鑄造過程留下的多餘材料。

接下來，通過簡單的擰松過程將螺紋成形工具106從形成的孔中移除，留下具有設置在部件中所需位置處的內螺紋孔124(見圖6)的成形部件122。如上所述，這通過使用被構造為接合螺紋成形工具頭108的合適的工具(例如扳手、插頭或螺絲刀)來實現。在圖6所示的實施例中，部件122是由複合材料通過上述成型工藝製成的凸輪託架，以提供大體上常規的設計並且限定用於凸輪軸(未示出)的接收器126。

如圖7所示，複合部件122然後可以通過緊固件128(例如螺栓或尺寸適於接合限定的孔124的其它合適的螺紋緊固件)被裝配到其它部件。在所示的實施例中，緊固件128將凸輪軸120固定到接收器126，並且進而複合凸輪託架122被固定到鋁或其他金屬氣缸蓋132。

因此，通過前述描述，提供了用於在複合部件122中設置內螺紋孔的系統和方法。有利的是，所述系統和方法提供在形成複合部件122的過程期間提供這樣的內螺紋孔的簡單、有效且穩健的方式。此外，所述螺紋成形工具提供具有增加的耐久性並且支持增加的夾緊力的內螺紋孔，以允許複合部件122與鄰接部件之間的更牢固的連接，而不依靠用於提高孔內部強度耐久性的補充措施，例如金屬插入件、擠壓限制器或粘合劑。

鑑於上述教導，顯而易見的修改和變化是可能的。當根據權利要求公平、合法且公平地享有的廣度解釋時，所有這些修改和變化都在所附權利要求的範圍之內。