專利名稱：雙金屬部件和方法
雙金屬部件和方法
相關(guān)申請(qǐng)交叉引用
本申請(qǐng)要求2010年6月10日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)61/353，304的優(yōu)先權(quán)， 該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容視為本申請(qǐng)公開的一部分，并通過引用并入本文。
發(fā)明背景技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雙金屬部件。具體地，本發(fā)明涉及用于汽車的雙金屬部件。2、現(xiàn)有技術(shù)
存在對(duì)于降低汽車重量以提高性能和燃料經(jīng)濟(jì)性二者的持續(xù)需求。降低車輛重量的一種方法是利用輕金屬如鋁而不是鋼來制造車體。但是，全車體使用鋁可能會(huì)成本極高， 因?yàn)椴糠周圀w可能會(huì)經(jīng)受非常大的力，需要大量的鋁來抵抗這些力。因此，期望的是，生產(chǎn)的車體策略性地包括用以抵抗大力的鋼制部分和不需增加強(qiáng)度的鋁制部分。換言之，期望的是，在不損害車體的耐故障性的情況下優(yōu)化生產(chǎn)成本和車體重量。
同時(shí)用鋼和鋁制造車體的問題在于這兩種材料焊接在一起極其困難。點(diǎn)焊是接合車體部件的優(yōu)選方法，因?yàn)辄c(diǎn)焊快速、高效，并且產(chǎn)生非常強(qiáng)的連接。在現(xiàn)有技術(shù)中，其它緊固手段如螺栓、鉚釘或釬焊已被用于將鋼和鋁部件連接在一起。然而，這些緊固手段用于制造車體可能會(huì)成本過高、耗時(shí)、低效和/或容易產(chǎn)生故障。因此，許多車體完全由的鋼制造， 使得車體的各個(gè)部件可以點(diǎn)焊在一起。此外，許多附加在車體上的部件也由鋼制成，使得它們可以被點(diǎn)焊在鋼制車體上。
仍然存在對(duì)于改進(jìn)不同金屬例如鋁和鋼的構(gòu)件之間的連接的顯著和持續(xù)的需求， 以便可以生產(chǎn)具有優(yōu)化的生產(chǎn)成本和重量的車體。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供雙金屬部件，其包括第一金屬的第一構(gòu)件和不同于所述第一金屬的第二金屬的第二構(gòu)件。第一構(gòu)件限定至少一個(gè)穿孔。第二構(gòu)件圍繞第一構(gòu)件的片狀部分并通過穿孔而直接原位澆鑄以剛性固定第一和第二構(gòu)件。
原位澆鑄工藝涉及將第一構(gòu)件的一部分插入模具型腔中并將熔融的第二金屬注入所述模具型腔的步驟。熔融的第二金屬將填充所述型腔和第一構(gòu)件的穿孔。熔融的第二金屬冷卻形成固體第二構(gòu)件，其通過穿孔并通過在第一和第二構(gòu)件界面處的摩擦而剛性固定到第一構(gòu)件上。
第一構(gòu)件可以是扁平條狀金屬片，或者可以例如通過沖壓或軋制成型。然后，利用原位澆鑄工藝可將第一構(gòu)件快速有效地固定到第二構(gòu)件上，該過程沒有或幾乎沒有額外的制造成本。另外，所得的第一和第二構(gòu)件之間的連接非常強(qiáng)，并能承受的力與第一和第二構(gòu)件之一單獨(dú)可承受的力相當(dāng)。當(dāng)?shù)谝粯?gòu)件為鋼制且第二構(gòu)件為鋁或鎂制時(shí)，第一構(gòu)件可隨后被點(diǎn)焊到車體的其余部分上。換言之，本發(fā)明的雙金屬部件可以用于制造包括策略性設(shè)置鋁/鎂和鋼部件的車體。其有利之處在于允許在不損害車體耐故障性的情況下生產(chǎn)具有優(yōu)化的重量和生產(chǎn)成本的車體。


參考以下結(jié)合附圖的說明，將很容易認(rèn)識(shí)以及同樣會(huì)更好地理解本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)，其中
圖I是第一示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的頂視圖2是沿圖I中2-2線截取的第一示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的剖視圖3是第二示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的第一構(gòu)件的頂視圖4是第三示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的第一構(gòu)件的頂視圖5是第四示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的頂視圖6是沿圖5中的6-6線截取的第四示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的剖視圖7是第五示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的頂視圖8是第六示例性實(shí)施方案的雙金屬部件的頂視圖9是示例性的雙金屬懸架控制臂的頂部正視透視圖10是該示例性的雙金屬懸架臂的底部正視透視圖11是另一示例性的雙金屬懸架控制臂的頂部正視透視圖12是該另一示例性的雙金屬懸掛控制臂的底部正視透視圖13是示例性的車體雙金屬體支柱節(jié)點(diǎn)的正視透視圖14是示例性的車體減震器座的正視透視圖15是示例性的雙金屬部件形成方法的流程圖。
有效實(shí)施方式的具體說明
參照附圖，在全部多個(gè)附圖中相同的附圖標(biāo)記表示相應(yīng)的部件，雙金屬部件20 — 般性圖示在圖1-14中。雙金屬部件20可以用于常規(guī)使用緊固件、焊接或壓入配合進(jìn)行材料接合的任何應(yīng)用中。在示例性實(shí)施方案中，雙金屬部件20用于各種汽車部件，如在車輛懸架、結(jié)構(gòu)、車體或動(dòng)力傳動(dòng)系中的那些。例如，雙金屬部件20可以是儀表板支撐梁、扭力梁車軸、發(fā)動(dòng)機(jī)懸架、附架、輸送泵、驅(qū)動(dòng)軸、管形座部件、發(fā)動(dòng)機(jī)支架叉形構(gòu)件、散熱器座、 前端模塊、保險(xiǎn)杠總成、轉(zhuǎn)向柱或安裝托架。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到雙金屬部件20也可以用于汽車以外的廣大應(yīng)用范圍。
在每一個(gè)示例性實(shí)施方案中，雙金屬部件20包括第一金屬的第一構(gòu)件22和第二金屬的第二構(gòu)件24,第二金屬不同于第一金屬。第一金屬優(yōu)選為高強(qiáng)度鋼,第二金屬優(yōu)選為鋁、鋁合金或鎂。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，第一和第二金屬可以是任何其它類型的金屬。如將在下面進(jìn)一步詳細(xì)討論的，第二金屬應(yīng)具有低于第一金屬的熔點(diǎn)溫度，使得第二構(gòu)件24可以圍繞第一構(gòu)件22的片狀部分原位澆鑄而不損壞第一構(gòu)件22。第一構(gòu)件22的片狀部分可以是平坦的、彎曲的或者可以包括其它特征。
雙金屬部件20a的第一示例性實(shí)施方案一般性圖示于圖I和圖2中?？梢钥吹剑谝缓偷诙?gòu)件22a、24a被彼此固定，而沒有任何焊接或任何額外部件即緊固件。相反，第二構(gòu)件24a圍繞第一構(gòu)件22a的片狀部分并通過第一構(gòu)件22a中的一對(duì)穿孔26a原位澆鑄。 原位澆鑄工藝(下文詳細(xì)描述)提供了在第一和第二構(gòu)件22a、24a之間的極強(qiáng)連接。
第一構(gòu)件22可以包括任意數(shù)目的穿孔26，這些穿孔26可以采取各種形狀。在第一示例性實(shí)施方案中，穿孔26a延伸完全通過第一構(gòu)件22a，如在圖2中最佳所示。這允許第二構(gòu)件24a的一部分延伸穿過穿孔26a，更牢固地將第二構(gòu)件24a固定到第一構(gòu)件22上。 然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，一個(gè)或更多個(gè)穿孔26可以交替地僅延伸通過第一構(gòu)件22的通道的一部分。此外，穿孔26可以設(shè)置在第一構(gòu)件22的側(cè)面上。
如果雙金屬部件20很可能要經(jīng)受扭矩負(fù)載，則可以優(yōu)選包括彼此間隔開的多個(gè)穿孔26或一個(gè)(或更多個(gè))非圓形穿孔26。這些配置中的任一個(gè)將提供對(duì)抗第一和第二構(gòu)件22、24之間的扭矩力的額外增強(qiáng)。例如，圖I和圖2的第一示例性實(shí)施方案的第一構(gòu)件22a包括一對(duì)彼此間隔開并延伸通過第一構(gòu)件22a的圓形穿孔26a。如圖3所示，雙金屬部件20b的第二示例性實(shí)施方案的第一構(gòu)件22b包括單個(gè)T形(非圓形)穿孔26b，并且第二構(gòu)件24b通過該穿孔26b原位澆鑄。如圖4所示，在雙金屬部件20c的第三示例性實(shí)施方案中，第一構(gòu)件22c包括單個(gè)X形(非圓形)穿孔26c，并且第二構(gòu)件24c通過該穿孔 26c原位澆鑄。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，穿孔26可以采取多種其它形狀，包括但并不限于星形、六邊形或正方形形狀。
穿孔26可以通過多種工藝形成在第一構(gòu)件22中。例如，如果第一構(gòu)件22被澆鑄， 則澆鑄模具(圖中未示出)可以包括延伸穿過模具型腔的預(yù)定數(shù)目的突起，在其周圍第一熔融金屬凝固形成在第一構(gòu)件22中的穿孔26。作為替代方案，第一構(gòu)件22可以是金屬片的成型或非成型條，并且穿孔26可以從第一構(gòu)件22中沖壓或機(jī)加工出來。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，第一構(gòu)件22和穿孔26可以利用任何期望的工藝來形成。
也可以通過在第一構(gòu)件22中切割或沖壓出切口并在切口的一個(gè)或更多個(gè)側(cè)邊處彎曲第一金屬來形成穿孔26。例如，第四示例性實(shí)施方案的雙金屬部件20d示出在圖5和圖6中，其包括利用該工藝形成在第一構(gòu)件22d中的單個(gè)矩形穿孔26d。如圖6最佳所示， 彎曲工藝產(chǎn)生通常垂直離開第一構(gòu)件22d的上表面而延伸的凸緣28d。凸緣28d是有利的， 其原因在于它增加第一和第二構(gòu)件22d、24d的界面的表面積以及它為防止第二構(gòu)件24d脫離第一構(gòu)件22d提供額外的增強(qiáng)。此外，通過彎曲該材料而形成穿孔26d是有利的，這是因?yàn)樗鼫p少了浪費(fèi)，即第一構(gòu)件22d的大部分材料被有利地用于將第一和第二構(gòu)件22d、24d 剛性固定在一起。
第一構(gòu)件22還可以包括利用切割和彎曲工藝形成的多于一個(gè)的穿孔26。例如，第五示例性實(shí)施方案的雙金屬部件20e —般性示于圖7中，其包括在第一構(gòu)件22e中彼此垂直設(shè)置的一對(duì)穿孔26e和凸緣28e。第二構(gòu)件24e通過這些穿孔26e原位澆鑄。甚至進(jìn)一步地，如在圖8中的第六示例性實(shí)施方案的雙金屬部件20f所示，第一構(gòu)件22f的第一金屬可在離開切口的多個(gè)方向上彎曲。在第六示例性實(shí)施方案中，第一構(gòu)件22f包括環(huán)繞穿孔 26f的凸緣28f。如其它實(shí)施方案那樣，第二構(gòu)件24f通過穿孔26f原位澆鑄。
在第六示例性實(shí)施方案中，第一構(gòu)件22是金屬片的矩形扁平條。這在第二構(gòu)件24 為鋁制并且必須連接到鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用例如車體中是特別有利的。在這樣的應(yīng)用中，第一構(gòu)件22可以為鋼制的，它可以快速且廉價(jià)地點(diǎn)焊至鋼結(jié)構(gòu)上。因此，包括鋁制第二構(gòu)件26的雙金屬部件20可以在無需任何額外的緊固件或釬焊(brazing)材料的情況下剛性固定到鋼結(jié)構(gòu)上。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，雙金屬部件20可以采取許多其它的形狀。例如，在圖9和10中，雙金屬部件20g是用于車輛懸架的支撐臂20g。雙金屬支撐臂20g的第一構(gòu)件22g是懸架控制臂的片狀鋼托架22g，其包括為托架22g提供額外剛度的多個(gè)槽和其它特征。
雙金屬部件20可以包括連接到單個(gè)第一構(gòu)件22的多于一個(gè)的第二構(gòu)件24。例如，圖9和圖10的雙金屬支撐臂20g包括一對(duì)第二構(gòu)件24g，其中每個(gè)第二構(gòu)件24g是用于連接至鋁車輛懸架部件(圖中未示出)的鋁支座24g。支座24g通過托架22g彼此互連。
此外，雙金屬部件20可以包括連接至單個(gè)第二構(gòu)件24的多于一個(gè)的第一構(gòu)件22。 例如，圖11和12示出用于車輛懸架的另一雙金屬支撐臂20h。在這種雙金屬支撐臂20h 中，第二構(gòu)件24h是鋁支座24h，第一構(gòu)件22h是從鋁支座24h向外延伸的片狀鋼托架22h。 在本實(shí)施方案中，鋁支座24h是圍繞每個(gè)鋼托架22h的一部分原位澆鑄的。
在圖13中，雙金屬部件20i為車體支柱節(jié)點(diǎn)20i。在本實(shí)施方案中，第二構(gòu)件24i 為鋁制的并且四個(gè)鋼制第一構(gòu)件22i通過上述原位澆鑄工藝被固定到第二構(gòu)件24i上。在圖13的示例性實(shí)施方案中，第一構(gòu)件22i被點(diǎn)焊到鋼制車體30上。這是有利的，其原因在于車體支柱節(jié)點(diǎn)20i部分為鋁制而不是全部為鋼制導(dǎo)致車體30的整體重量降低。鋁被策略性地設(shè)置在車體30中，以優(yōu)化車輛重量和制造成本，而不損害車體30的耐故障性。
在圖14中，雙金屬部件20j是雙金屬車輛減震器座20j。在本實(shí)施方案中，第二構(gòu)件24j為鋁制的并且三個(gè)鋼制第一構(gòu)件22j通過上述原位澆鑄工藝被固定到第二構(gòu)件24j 上。第一構(gòu)件22j可點(diǎn)焊到車體上(未示出)。這是有利的，其原因在于車輛減震器座20j 部分為鋁制而不是全部為鋼制而導(dǎo)致車體30的整體重量降低。
形成雙金屬部件20的一種示例性方法示于圖15的流程圖中。該方法以形成第一金屬的第一部件22的步驟100開始。正如上文所述，在該示例性實(shí)施方案中，第一金屬是高強(qiáng)度鋼。第一構(gòu)件22可以利用任何期望的成型工藝包括例如鑄造、軋制、沖壓、機(jī)加工等方法成型。作為替代方案，第一構(gòu)件22可以是條狀金屬片。
該方法隨后繼續(xù)進(jìn)行在第一構(gòu)件22中形成至少一個(gè)穿孔26的步驟102。優(yōu)選地， 每個(gè)穿孔26延伸通過第一構(gòu)件22。然而，應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，穿孔26可以部分延伸通過第一構(gòu)件 22。穿孔26可以在第一構(gòu)件22成型期間或之后形成。如上所述，第一構(gòu)件22可以具有任意數(shù)目的穿孔26，并且穿孔26可以采取任何期望的形狀。
該方法隨后繼續(xù)進(jìn)行提供包括型腔的模具的步驟104?？梢岳檬褂萌魏纹谕蔫T造工藝來形成第二構(gòu)件24，因此模具可以是金屬模、陶瓷模、砂模等。此外，在澆鑄工藝中可以采用壓力擠注或真空澆鑄。
該方法然后繼續(xù)進(jìn)行將第一構(gòu)件22的一部分插入到模具型腔中的步驟106。至少一個(gè)穿孔26應(yīng)被包括在第一構(gòu)件22插入模具的部分中。接下來，該方法繼續(xù)進(jìn)行將與第一構(gòu)件22的第一金屬不同的熔融第二金屬注入到包含部分第一構(gòu)件22的型腔中的步驟 108。熔融的第二金屬填充模具內(nèi)的型腔并且覆蓋(enrobe)包括第一構(gòu)件22的穿孔26的第一構(gòu)件22的部分。第二金屬的熔點(diǎn)溫度應(yīng)低于第一金屬的熔點(diǎn)溫度，并且應(yīng)將熔融的第二金屬在高于第二金屬的熔點(diǎn)溫度且低于第一金屬的熔點(diǎn)溫度的溫度下注入模具型腔中。 這確保了第一構(gòu)件22在澆鑄過程中不被損壞。如上所討論的，第一金屬優(yōu)選為高強(qiáng)度鋼， 第二金屬優(yōu)選為鋁。熔融鋁優(yōu)選在約六百二十七至百六十?dāng)z氏度(620-760°C )溫度下注入模具型腔中。
—旦第二金屬冷卻并凝固，可以打開模具得到剛性固定在第一構(gòu)件22的第二構(gòu)件24，這種固定既通過第一和第二構(gòu)件22、24的界面表面處的摩擦，也通過第二構(gòu)件24延伸通過第一構(gòu)件22的穿孔26的部分來實(shí)現(xiàn)。所得的第一和第二構(gòu)件22、24之間的連接是非常強(qiáng)的，并且不需要額外的緊固件或其它部件。如果期望的話，雙金屬部件20也可以經(jīng)過熱處理工藝以改變第一和/或第二金屬的物理性質(zhì)。
顯然，本發(fā)明的許多修改和變化在上述教導(dǎo)的啟示下是可能的，并且可以利用不同于具體描述的方式實(shí)施，同時(shí)落在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。這些在先記載應(yīng)該解釋為包括其中本發(fā)明的新穎性行使其效用的任意組合。在裝置權(quán)利要求中使用詞語(yǔ)“所述”是指主動(dòng)引用的先行詞的含義包括在該權(quán)利要求的范圍內(nèi)，而在詞前不使用“所述”不意味著包括在該權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙金屬部件，包括第一金屬的第一構(gòu)件；所述第一構(gòu)件為片狀并且限定延伸通過所述第一構(gòu)件的至少一個(gè)穿孔；和 不同于所述第一金屬的第二金屬的第二構(gòu)件，所述第二構(gòu)件圍繞所述第一構(gòu)件的一部 分并通過所述穿孔直接原位澆鑄以剛性固定所述第一和第二構(gòu)件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述第二金屬具有低于所述第一金屬的熔 點(diǎn)溫度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述第一金屬為鋼。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙金屬部件，其中所述第一構(gòu)件由金屬片形成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙金屬部件，其中所述第二金屬為鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述至少一個(gè)穿孔進(jìn)一步被限定為多個(gè)穿孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述至少一個(gè)穿孔是非圓形的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述至少一個(gè)穿孔是圓形的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述第一和第二構(gòu)件是汽車部件。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述第一構(gòu)件為托架，所述第二構(gòu)件為懸 式座架。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙金屬部件，其中所述第一構(gòu)件還包括所述穿孔附近的凸緣。
12.—種生產(chǎn)雙金屬部件的方法，包括以下步驟形成第一金屬的第一構(gòu)件；在第一構(gòu)件的片狀部分中形成至少一個(gè)穿孔，其中所述穿孔延伸通過所述第一構(gòu)件；和將不同于所述第一金屬的第二金屬的第二構(gòu)件澆注在所述第一構(gòu)件的一部分上并通 過所述穿孔，以剛性固定所述第一和第二構(gòu)件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一金屬為鋼。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中所述第二金屬為鋁。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述第一金屬的熔點(diǎn)溫度高于所述第二金屬的 熔點(diǎn)溫度。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中所述將第二構(gòu)件澆注在第一構(gòu)件的一部分上的 步驟還包括以下步驟提供包括型腔的模具；將所述第一構(gòu)件的一部分插入所述模具的型腔中；和 將熔融的第二金屬注入所述模具的型腔中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在所述注入步驟中的熔融的第二金屬的溫度高 于所述第二金屬的熔點(diǎn)溫度且低于所述第一金屬的熔點(diǎn)溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中所述熔融的第二金屬的溫度處于六百二十到 七百六十?dāng)z氏度(620-760°C )的范圍內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述形成穿孔的步驟還被限定為切割和彎曲所述第一金屬。
20.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，還包括將所述第一構(gòu)件焊接至鋼結(jié)構(gòu)的步驟。
全文摘要
一種雙金屬部件，包括第一金屬的第一構(gòu)件和不同于所述第一金屬的第二金屬的第二構(gòu)件。所述第一構(gòu)件包括至少一個(gè)穿孔。所述第二構(gòu)件圍繞所述第一構(gòu)件的片狀部分并通過所述穿孔直接原位澆鑄以剛性固定所述第一和第二構(gòu)件。當(dāng)用于機(jī)動(dòng)車輛時(shí)，第二金屬的第二構(gòu)件優(yōu)選為鋁制的并且第一金屬的第一構(gòu)件優(yōu)選為用于點(diǎn)焊至其它鋼結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度鋼。
文檔編號(hào)B22D19/04GK102939176SQ201180027823
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月10日
發(fā)明者帕斯卡爾·保羅·查爾斯特, 格雷戈?duì)枴だ麏W波德·巴比克, 彼得·莫寧, 埃里克·艾伯塔斯·德尼斯 申請(qǐng)人:麥格納國(guó)際公司