用于在復合材料中形成內(nèi)螺紋的系統(tǒng)和方法與流程

本公開總體上涉及由復合材料制成的機動車輛部件。更具體地，本公開涉及一種用于在由這樣的復合材料形成的部件中設(shè)置內(nèi)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(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

提供復合車輛部件是已知的，其中部件的一部分是由金屬制成的并且部件的另一部分是由非金屬材料制成的。作為非限制性示例，凸輪托架(camcarrier)可以由用于附接到金屬車輛氣缸蓋(例如由鋁或其他加工或鑄造金屬制成)的非金屬材料制成。這樣的復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制成的部件，該部件旨在被附接到由復合或非復合材料(例如鋁或其它金屬或合金)制成的其它配合部件。

在由復合(或非復合)材料制造車輛部件期間，通常需要設(shè)置內(nèi)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，制造熱塑性樹脂的凸輪托架并且包括多個內(nèi)螺紋孔以允許將復合材料凸輪托架固定到由復合材料或其它材料制成的另一車輛部件是已知的。在車輛制造期間，凸輪托架與金屬氣缸蓋對齊并且被固定到金屬氣缸蓋，并且凸輪軸通過多個軸承被固定到凸輪托架。通常，這樣的內(nèi)螺紋孔在鑄造、成型或以其它方式成形的復合材料中通過使用同時在其中形成所需內(nèi)螺紋的鉆頭切割適當尺寸的孔來設(shè)置。

這樣的復合材料對于通過多種成型和鑄造工藝來制造車輛部件是適當?shù)啬陀玫?，并且提供更輕的重量的附加優(yōu)點，更輕的重量進而實現(xiàn)更輕重量的車輛、改進燃料效率等優(yōu)點。進而，因為復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，所以制造更快且成本更低的更復雜的部件設(shè)計是可能的。然而，復合材料可能比常規(guī)金屬材料更不耐用，特別是當形成較薄元件(例如薄側(cè)壁、螺紋以及諸如此類)時。

由于與傳統(tǒng)金屬和合金相比復合材料的耐久性較差，所以制造商提供補充措施來解決與將復合部件彼此緊固或與相鄰的潛在非復合部件緊固相關(guān)的挑戰(zhàn)，也就是說，提供所需的夾緊力(clampload)同時降低復合材料螺紋(例如在復合材料中限定的孔)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并且增強復合材料螺紋可能的夾緊力。雖然對于它們的預期目的是有效的，但是這樣的措施增加了成本和制造過程的復雜性。

為了解決前述以及其它問題，本公開描述了用于在車輛和其他部件中設(shè)置內(nèi)螺紋孔的系統(tǒng)和方法。有利的是，所描述的系統(tǒng)和方法提供具有在部件的預定部分中限定的螺紋孔的復合材料部件，以允許容易地將復合部件與鄰接的車輛部件對齊并將復合部件固定到鄰接的車輛部件。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本文所描述的目的和益處，在一個方面，描述了一種用于在成形部件中限定內(nèi)螺紋孔的系統(tǒng)，該系統(tǒng)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(tǒng)進一步包括定位夾具，該定位夾具被構(gòu)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(shè)置的內(nèi)螺紋孔的圖案的預定構(gòu)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(shè)置用于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(nèi)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(nèi)螺旋螺紋的孔。

在另一方面，提供了一種用于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，并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(nèi)螺紋孔的所需圖案的預定構(gòu)造。接下來，定位夾具被設(shè)置成鄰近被構(gòu)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(nèi)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。該材料可以是復合材料。

然后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(jù)本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)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(nèi)螺紋孔的部件。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)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(jù)本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)明的方法可選地包括將部件加工成最終所需的外部構(gòu)造。

根據(jù)本發(fā)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(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于在復合材料中限定內(nèi)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(jù)本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)明的螺紋成形工具進一步包括定位夾具跨接柄。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，本發(fā)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于在車輛和其他部件中設(shè)置內(nèi)螺紋孔的系統(tǒng)和方法的實施例。如應(yīng)當認識到的是，該系統(tǒng)和方法能夠具有其他不同的實施例，并且其若干細節(jié)能夠在各種顯而易見的方面進行修改，而不脫離在以下權(quán)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(yīng)當被認為本質(zhì)上是說明性的而不是限制性的。

附圖說明

并入本文并形成說明書的一部分的附圖示出了所公開的系統(tǒng)和方法的若干方面，并且與說明書一起用于說明其某些原理。在附圖中：

圖1示出了根據(jù)本公開的用于提供具有內(nèi)螺紋孔的部件的系統(tǒng)；

圖2示出了根據(jù)本公開的定位夾具和相關(guān)的螺紋成形工具；

圖3示出了根據(jù)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(shè)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(nèi)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(xiàn)在將詳細參考所公開的用于在車輛和其他部件中設(shè)置內(nèi)螺紋孔的系統(tǒng)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復合材料部件的背景下用于在成形部件中形成內(nèi)螺紋孔的系統(tǒng)和方法。然而，技術(shù)人員將容易領(lǐng)會的是，該系統(tǒng)和方法同樣適用于需要成形部件具有內(nèi)螺紋孔的任何制造情況。

參考圖1，提供了用于在成形部件中形成內(nèi)螺紋孔的系統(tǒng)100。系統(tǒng)100包括被構(gòu)造用于限定復合材料部件的成形夾具102。這樣的成形夾具102在本領(lǐng)域中是公知的，并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(nèi)部限定要通過成型提供的部件的實質(zhì)鏡像。因此，通過將合適的組合物分配到成形夾具102的內(nèi)部，允許其干燥或以其他方式固化，并且從成形夾具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(tǒng)100進一步包括定位夾具104，該定位夾具104被構(gòu)造用于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限定的復合材料部件中限定的孔的所需圖案對應(yīng)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(yīng)當領(lǐng)會的是，用于定位夾具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(gòu)造成當鄰接時螺紋成形工具106被保持在成形夾具的內(nèi)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并且螺紋成形部分(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于由定位夾具104限定的平面大體上垂直的取向中。然而，根據(jù)要形成的所需孔的取向，螺紋成形工具106可以被保持在相對于由定位夾具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(gòu)造用于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(jù)預期的特定用途的各種長度和直徑/周長，例如以適應(yīng)定位夾具104的特定厚度，以允許調(diào)節(jié)螺紋成形部分112相對于成形夾具102(未示出)的內(nèi)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(nèi)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(shè)置在圓柱體116上的多個脊(ridge)114。根據(jù)由此形成的螺紋的所需構(gòu)造，脊114的任何合適的構(gòu)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(gòu)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(gòu)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(yīng)當領(lǐng)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然后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(nèi)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(nèi)螺旋形螺紋，該內(nèi)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(yīng)力分布在更廣的表面區(qū)域上，并且因此具有這樣的結(jié)構(gòu)的螺紋更耐用并且可以承受更大的載荷。這樣的脊構(gòu)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(nèi)部中。應(yīng)當領(lǐng)會的是，根據(jù)要在成形部件中的特定位置處形成的所需孔內(nèi)直徑，可以設(shè)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可以被用于提供較大內(nèi)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(gòu)造成并且尺寸適于使得定位夾具基本上限定用于成形夾具的蓋子。然而，替代構(gòu)造是可預期的。例如，定位夾具104和成形夾具102可以并排設(shè)置，或者定位夾具可以限定用于成形夾具的底板?？蛇x地，為了易于移除，螺紋成形工具106的至少一部分可以涂覆有脫模劑或隔離劑或其它合適的潤滑劑。

接下來，用于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(nèi)部中。用于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，包括但不限于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(yè)中，許多鑄造和/或成型技術(shù)是已知的并且可預期用于當前所描述的方法，包括但不限于注射成型、吹塑成型、基體成型(matrixmolding)、旋轉(zhuǎn)鑄造(spincasting)、反應(yīng)注射成型(rim)、結(jié)構(gòu)rim以及其他。

允許組合物干燥、凝固和/或以其他方式固化，從而限定所需的成形部件122。一旦組合物已干燥/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(shè)置在成形部件122內(nèi)的螺紋成形工具106。如應(yīng)當領(lǐng)會的是，由螺紋成形工具106形成的孔同樣將被設(shè)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(gòu)造。然而，技術(shù)人員將理解的是，部件122將以所需的大體上所需的最終構(gòu)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(gòu)造和/或以去除由于成型或鑄造過程留下的多余材料。

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(shè)置在部件中所需位置處的內(nèi)螺紋孔124(見圖6)的成形部件122。如上所述，這通過使用被構(gòu)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(xiàn)。在圖6所示的實施例中，部件122是由復合材料通過上述成型工藝制成的凸輪托架，以提供大體上常規(guī)的設(shè)計并且限定用于凸輪軸(未示出)的接收器126。

如圖7所示，復合部件122然后可以通過緊固件128(例如螺栓或尺寸適于接合限定的孔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，并且進而復合凸輪托架122被固定到鋁或其他金屬氣缸蓋132。

因此，通過前述描述，提供了用于在復合部件122中設(shè)置內(nèi)螺紋孔的系統(tǒng)和方法。有利的是，所述系統(tǒng)和方法提供在形成復合部件122的過程期間提供這樣的內(nèi)螺紋孔的簡單、有效且穩(wěn)健的方式。此外，所述螺紋成形工具提供具有增加的耐久性并且支持增加的夾緊力的內(nèi)螺紋孔，以允許復合部件122與鄰接部件之間的更牢固的連接，而不依靠用于提高孔內(nèi)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。

鑒于上述教導，顯而易見的修改和變化是可能的。當根據(jù)權(quán)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(quán)利要求的范圍之內(nèi)。