專(zhuān)利名稱(chēng)：具有孔的金屬件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及限定更加堅(jiān)固的沖孔的金屬件、具有加強(qiáng)孔幾何結(jié)構(gòu)的組件以及制造更堅(jiān)固的孔幾何結(jié)構(gòu)的技術(shù)。
背景技術(shù)：
車(chē)輛制造商正在避免使用低碳鋼薄板而轉(zhuǎn)向鋁、先進(jìn)高強(qiáng)度鋼(AHSS)或超高強(qiáng)度鋼(UHSS)面板。鋁、AHSS和UHSS相對(duì)于低碳鋼提供了高強(qiáng)度/輕重量。然而，這些面板與低碳鋼相比具有較低的延展性。鋁、AHSS和UHSS所存在的一個(gè)問(wèn)題是，在動(dòng)態(tài)加載期間由沖孔的剪切面產(chǎn)生裂紋發(fā)展。 由于在AHSS中對(duì)剪切面拉伸性的敏感度較高，所以在動(dòng)態(tài)加載期間裂紋從面板的剪切面的傳播改變了材料的破壞模式。由于低碳鋼對(duì)邊緣裂紋不太敏感，從而低碳鋼面板的破壞模式提供了吸收塑性變形的能量。高強(qiáng)度/輕重量可選材料面板的破壞模式在裂紋傳播時(shí)不會(huì)有效地吸收加載能量。沖孔是一種金屬成形處理，其中，從金屬件中剪切材料來(lái)形成一個(gè)孔。沖孔機(jī)在金屬件中剪切孔，被剪切材料(也稱(chēng)為廢切邊)如同廢料一樣扔掉。在這種處理中，通過(guò)剪切面來(lái)限定孔的周邊?？梢詫⒕o固件插入到孔中來(lái)將物體連接到一起。緊固件具有穿過(guò)物體的孔的軸以將該物體固定至另一個(gè)物體。緊固件的軸通常與沖孔的剪切面鄰接。剪切面具有極小的裂紋。當(dāng)對(duì)利用緊固件而緊固在一起的物體施加力時(shí)，緊固件的軸會(huì)向孔的剪切面施加應(yīng)力?？椎募羟忻嬷械臉O小裂紋在金屬件中開(kāi)始裂開(kāi)的位置處是應(yīng)力誘導(dǎo)。由于緊固件所施加的應(yīng)力，剪切面趨于在裂紋處斷裂、裂開(kāi)或撕裂。在提交本申請(qǐng)之前，考慮以下參照申請(qǐng)=Akahane等人的美國(guó)專(zhuān)利第6，968，723號(hào)、Babej等人的美國(guó)專(zhuān)利第7，318，696號(hào)、Gafri等人的美國(guó)專(zhuān)利第6，708，542號(hào)以及Pourboghrat等人的美國(guó)專(zhuān)利第6，631, 630號(hào)。

實(shí)用新型內(nèi)容公開(kāi)了在金屬件上形成輻射狀凸緣來(lái)整體加強(qiáng)孔的方法。該方法通過(guò)使剪切面遠(yuǎn)離孔周邊而實(shí)現(xiàn)具有較高邊緣裂紋敏感度的材料中沖孔的破壞模式的顯著改善。與剪切面位于孔周邊的情況相反，凸緣折回到自身上方，并且凸緣的外表面/卷曲面成為孔的周邊。該方法產(chǎn)生具有孔的金屬件，金屬件的非剪切面形成孔的周邊。與相同條件下的剪切面相t匕，金屬件的非剪切面在向孔施加應(yīng)力的動(dòng)態(tài)加載情況下更加堅(jiān)固。根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，加強(qiáng)環(huán)(優(yōu)選與金屬件相比具有更高的抗拉強(qiáng)度)被裝配在凸緣周?chē)㈦S著凸緣折回到自身上方而被凸緣保持?？蛇x地，在凸緣折回到自身上方的情況下，諸如銅焊堆積物或高強(qiáng)度粘合劑的加強(qiáng)填充材料可以被涂覆至凸緣。在這些其他方面的任一方面中，加強(qiáng)環(huán)、銅焊或高強(qiáng)度粘合劑增加了孔的堅(jiān)固性，并且在動(dòng)態(tài)加載期間增加了能量吸收。[0010]根據(jù)本實(shí)用新型的又一方面，在孔內(nèi)設(shè)置緊固件，緊固件具有與凸緣的卷曲面相鄰的軸。緊固件可具有頂蓋，其在卷曲面和剪切邊之間與凸緣區(qū)域直接或間接接觸。隨著緊固件被固定，頂蓋夾緊凸緣?？蛇x地，緊固件可以?shī)A住第二物體，第二物體在卷曲面和剪切邊之間與凸緣區(qū)域接觸。在任一方面，該組件可以包括加強(qiáng)填充材料、加強(qiáng)環(huán)，或者根本沒(méi)有加強(qiáng)件。根據(jù)本實(shí)用新型的又一方面，公開(kāi)了用于沖壓具有凸緣的孔的模具，其中使凸緣形成為折回到自身上方。在所示實(shí)施例中，孔周?chē)耐咕壨ㄟ^(guò)模具而形成為折回到自身上方。模具可以形成具有或不具有加強(qiáng)環(huán)的凸緣。所示實(shí)施例示出了在單個(gè)模具中使凸緣形成為折回到自身上方，然而，單個(gè)模具可以從一側(cè)穿孔且從一側(cè)形成凸緣，而第二模具從另一側(cè)使凸緣折回到自身上方。根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種具有孔的金屬件，包括從金屬件的一側(cè) 開(kāi)始延伸且具有第一表面和在金屬件上與所述第一表面相對(duì)的第二表面的凸緣以及在第一表面和第二表面之間延伸的剪切邊，其中，凸緣折回到第一表面上，第二表面限定孔的一部分，并且剪切邊與孔隔開(kāi)。優(yōu)選地，凸緣是一個(gè)連續(xù)凸緣，并且連續(xù)凸緣的第二表面限定孔的整個(gè)周邊。優(yōu)選地，凸緣是一個(gè)連續(xù)圓形凸緣，并且連續(xù)圓形凸緣的第二表面限定孔的周邊。優(yōu)選地，金屬件還包括加強(qiáng)環(huán)，加強(qiáng)環(huán)圍繞孔進(jìn)行設(shè)置并與凸緣的第一表面相鄰，其中，凸緣在孔的周?chē)３旨訌?qiáng)環(huán)。優(yōu)選地，加強(qiáng)環(huán)的徑向截面是圓形。優(yōu)選地，加強(qiáng)環(huán)的徑向截面是多邊形。優(yōu)選地，加強(qiáng)環(huán)由與金屬件相比具有更大抗拉強(qiáng)度的材料制成。優(yōu)選地，金屬件還包括位于加強(qiáng)環(huán)上的防銹涂層。優(yōu)選地，金屬件還包括涂覆在加強(qiáng)環(huán)的表面上以將加強(qiáng)環(huán)結(jié)合至金屬件的粘合劑。根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供了一種組件，包括包括限定孔的翻轉(zhuǎn)凸緣的金屬件，凸緣具有與卷曲面隔開(kāi)的剪切邊，使得卷曲面的一部分限定孔的周邊；以及設(shè)置在孔中的緊固件，緊固件具有與卷曲面的一部分接觸的軸。優(yōu)選地，該組件還包括圍繞孔設(shè)置并通過(guò)翻轉(zhuǎn)凸緣保持的加強(qiáng)環(huán)。優(yōu)選地，該組件還包括具有底側(cè)表面的凸緣以及設(shè)置在通過(guò)翻轉(zhuǎn)凸緣的底側(cè)表面和金屬件限定的空間內(nèi)的填充材料。優(yōu)選地，緊固件頂蓋，頂蓋具有基本上垂直于軸的表面，使得頂蓋表面在限定孔的周邊的卷曲面的一部分與剪切邊之間與凸緣接觸。優(yōu)選地，卷曲面具有基于金屬件材料的可成形性而選擇的彎曲半徑。優(yōu)選地，該組件還包括圍繞孔設(shè)置并通過(guò)翻轉(zhuǎn)凸緣保持的加強(qiáng)環(huán)，其中，加強(qiáng)環(huán)的徑向截面具有與凸緣的所述卷曲面的彎曲半徑相對(duì)應(yīng)的厚度。根據(jù)本實(shí)用新型的另一方面，提供了一種加強(qiáng)具有孔的金屬件的方法，包括以下步驟在金屬件上沖孔，以形成具有剪切邊和非剪切面的凸緣；以及使凸緣成形為折回到自身上方，使得非剪切面限定孔的周邊，并且剪切邊遠(yuǎn)離孔的周邊。優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟在使凸緣成形為折回到自身上方之前，圍繞凸緣裝配加強(qiáng)環(huán)，使得凸緣在所述孔的周?chē)３旨訌?qiáng)環(huán)。優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟在凸緣周?chē)b配加強(qiáng)環(huán)之前，使加強(qiáng)環(huán)涂有防銹涂層。優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟在凸緣周?chē)b配加強(qiáng)環(huán)之前，使加強(qiáng)環(huán)涂有粘合劑。優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟在凸緣周?chē)b配加強(qiáng)環(huán)之前，使凸緣涂有粘合劑。在本實(shí)用新型中，通過(guò)使剪切面遠(yuǎn)離孔，在動(dòng)態(tài)加載期間避免了現(xiàn)有技術(shù)中由孔的剪切面所引起的裂紋發(fā)展的情況。

圖I是具有限定孔的凸緣的金屬件的立體圖；圖2是具有限定孔的凸緣和在凸緣周?chē)O(shè)置的加強(qiáng)環(huán)的金屬件的立體圖；圖3是具有限定孔的凸緣的金屬件的立體圖，其中凸緣被成形為折回到自身上方；圖4是示出凸緣成形為折回到自身上方的沿著圖3的線4-4截取的截面圖；圖5是示出凸緣成形為折回到自身上方的與圖4相似的截面圖，其中凸緣在孔的周?chē)３謭A形加強(qiáng)環(huán)；圖6是如圖4所示具有凸緣的金屬件的截面圖，其中在孔內(nèi)設(shè)有緊固件；圖7是如圖5所示具有凸緣的金屬件的截面圖，其中在孔內(nèi)設(shè)有緊固件；圖8是處于將凸緣成形為折回到自身上方的初始階段的模具的截面圖，其中，圖的右半部分包括加強(qiáng)環(huán)而圖的左半部分不包括加強(qiáng)環(huán)；圖9是處于將凸緣成形為折回到自身上方的中間階段的模具的截面圖，其中，視圖的右半部分包括加強(qiáng)環(huán)而圖的左半部分不包括加強(qiáng)環(huán)；以及圖10是處于將凸緣成形為折回到自身上方的最終階段的模具的截面圖，其中，視圖的右半部分包括加強(qiáng)環(huán)而圖的左半部分不包括加強(qiáng)環(huán)。
具體實(shí)施方式
以下詳細(xì)描述公開(kāi)了多個(gè)實(shí)施例。在不同的實(shí)施例中使用相同的參照標(biāo)號(hào)，在后面的實(shí)施例中包括相同的元件來(lái)簡(jiǎn)化描述。參照?qǐng)D1，示出具有孔22的金屬件20。在該圖中，通過(guò)遠(yuǎn)離金屬件20的一側(cè)26延伸的凸緣24來(lái)限定孔22。當(dāng)凸緣24折回到自身上方時(shí)，凸緣24具有將成為所成形凸緣24的內(nèi)表面28和外表面30的表面。在生成孔22的沖孔和卷邊操作期間形成凸緣24的剪切邊32。剪切邊32在內(nèi)表面28和與其相對(duì)的外表面30之間延伸。參照?qǐng)D2，在金屬件20中限定孔22的凸緣24進(jìn)一步包括環(huán)繞凸緣設(shè)置的加強(qiáng)環(huán)40。加強(qiáng)環(huán)40可以由任意數(shù)量的材料制成，例如但不限于鋼墊圈、諸如銅焊或高強(qiáng)度粘合劑的填充材料。加強(qiáng)環(huán)40可以由比金屬件20具有更大抗拉強(qiáng)度的材料制成。加強(qiáng)環(huán)40與凸緣24的底側(cè)表面28相鄰。當(dāng)凸緣24折回到自身上方時(shí)，底側(cè)表面28在孔周?chē)３旨訌?qiáng)環(huán)。在一些實(shí)施例中，向加強(qiáng)環(huán)40涂覆防銹涂層。在其他實(shí)施例中，向加強(qiáng)環(huán)40的表面涂覆粘合劑以將加強(qiáng)環(huán)結(jié)合至金屬件20。參照?qǐng)D3,凸緣24從金屬件20的一側(cè)26開(kāi)始延伸并折回到自身上方。外表面30限定孔22，并且剪切邊32與孔22隔開(kāi)。如圖所示，凸緣24被示為連續(xù)的環(huán)形凸緣，并且連續(xù)環(huán)形凸緣的外表面30限定孔22的周邊。然而，應(yīng)該注意，凸緣24不必須是環(huán)形或連續(xù)的?？蛇x實(shí)施例可具有限定橢圓形或多邊形孔(未示出)的連續(xù)凸緣24，其中，連續(xù)凸緣24的外表面30限定孔22的橢圓形或多邊形周邊。在動(dòng)態(tài)加載期間，材料的剪切邊可以僅需要在單個(gè)方向上加強(qiáng)。在這種情況下，只有孔的一部分周邊需要具有通過(guò)使凸緣24折回到自身上方而形成的外表面30。在這種情況下，凸緣24可以是非連續(xù)凸緣(未示出)，并且凸緣24的外表面30可以僅限定孔22的一部分。孔22可以通過(guò)多個(gè)非連續(xù)凸緣(未示出)來(lái)限定，這些凸緣均折回到自身上方并且均具有限定孔的一部分周邊的外表面30。外表面可以限定所有周邊，或者部分周邊可以保留為剪切面?！⒄?qǐng)D3，最終產(chǎn)品被示出包括具有折回到自身上方來(lái)限定孔22的凸緣24的金屬件20。在該圖中，孔22完全通過(guò)凸緣24來(lái)加強(qiáng)。剪切面32被形成為遠(yuǎn)離孔22的周邊，使得孔22的周邊具有非剪切面。這使得遠(yuǎn)離孔的接觸面定位與剪切面相關(guān)的極小裂紋，并使孔更加堅(jiān)固。這樣的設(shè)計(jì)加強(qiáng)了任意金屬件中的孔，并且顯著提高了相對(duì)于低碳鋼提供高強(qiáng)度/輕重量的鋁、AHSS和UHSS金屬的堅(jiān)固性。參照?qǐng)D4,示出沿著圖3的線4-4截取的截面圖。如圖所示，凸緣24被示出折回到自身上方，并且凸緣24的外表面30被示為限定金屬件20中的孔22的周邊。底側(cè)表面28被示為與外表面30相對(duì)，并且與底側(cè)表面28和外表面30相鄰的剪切邊32與孔22隔開(kāi)。底側(cè)表面和外表面28、30具有基于金屬件材料的可成形性所選擇的彎曲半徑。參照?qǐng)D5，示出了圍繞孔22進(jìn)行設(shè)置并通過(guò)凸緣24的底側(cè)表面28保持的加強(qiáng)環(huán)40的橫截面。加強(qiáng)環(huán)40的徑向截面是圓形。可選地，加強(qiáng)環(huán)40的徑向截面可以是任意形狀，諸如橢圓形、半圓形、多邊形或這些形狀的任意組合。加強(qiáng)環(huán)40可以是具有多邊形徑向截面的墊圈。加強(qiáng)環(huán)40可以是具有不規(guī)則徑向截面或一系列基本為橢圓形截面的銅焊堆積物。凸緣24具有基于金屬件材料的可成形性而選擇的彎曲半徑。加強(qiáng)環(huán)40被選擇為具有對(duì)應(yīng)于彎曲半徑和金屬件的厚度的截面。具有圓形截面的加強(qiáng)環(huán)40的截面半徑應(yīng)該等于或大于在加強(qiáng)環(huán)周?chē)纬傻牟牧系淖钚澢霃健＿@確保凸緣24保持加強(qiáng)環(huán)40。這還使得加強(qiáng)環(huán)40用作防止凸緣與最小彎曲半徑相比更急劇彎曲的成形砧。如果超過(guò)材料的最小彎曲半徑，則材料會(huì)在外側(cè)彎曲面上具有裂紋。參照?qǐng)D6，示出緊固件50設(shè)置在通過(guò)金屬件20限定的孔20中。通過(guò)翻轉(zhuǎn)凸緣24的卷曲面52來(lái)限定孔22的周邊。緊固件50具有軸54和頂蓋56，其中，頂蓋56具有基本上垂直于軸54的頂蓋面58。軸54接觸卷曲面52的一部分，并且頂蓋面58在限定孔的周邊的卷曲面52的一部分與剪切邊32之間接觸凸緣24。如圖6所示，緊固件50可以在與位于軸54底端的頂蓋56相反的方向上插入到孔22中。在圖7所示實(shí)施例中，加強(qiáng)環(huán)40設(shè)置在孔22周?chē)⑼ㄟ^(guò)翻轉(zhuǎn)凸緣24保持。在可選實(shí)施例中，諸如銅焊或高強(qiáng)度粘合劑的填充材料可以插入到翻轉(zhuǎn)凸緣24的底側(cè)表面28所限定的空間中來(lái)代替加強(qiáng)環(huán)40。頂蓋表面58隨著緊固件50的固定而夾緊凸緣24。可選地，第二物體(未示出)可以接觸卷曲表面52和剪切邊32之間的凸緣區(qū)域，其隨著緊固件50的固定而夾緊凸緣24。參照?qǐng)D8至圖10，示出處于初始階段、中間階段和最終階段的使凸緣24折回到自身上方的模具60的截面圖。每幅圖都分為圖的右半邊和圖的左半邊，其中，右半邊包括加強(qiáng)環(huán)40而左半邊不包括加強(qiáng)環(huán)。進(jìn)行這種劃分來(lái)示出凸緣成形處理在具有或不具有加強(qiáng)環(huán)40的情況下都是相同的。成形處理開(kāi)始于如圖I所示的金屬件20包括限定沖孔22的凸緣24。當(dāng)在金屬件20中沖壓孔22時(shí)，產(chǎn)生剪切邊32。金屬件20通過(guò)夾具64保持在下模具62上。沖床66使凸緣24的剪切邊32向外彎曲。該處理提供了限定孔22周邊的非剪切面70。在沖孔操 作中產(chǎn)生的剪切邊32與孔22的周邊隔開(kāi)。如圖8至圖10的右半邊所示，在凸緣折回到自身上方之前，可以在凸緣24周?chē)b配加強(qiáng)環(huán)40。在沖床66形成凸緣24時(shí)，加強(qiáng)環(huán)40用作支撐凸緣24的成形砧。在凸緣24折回到自身上方之后，凸緣24在孔四周保持加強(qiáng)環(huán)40。在凸緣24周?chē)b配加強(qiáng)環(huán)40之前，加強(qiáng)環(huán)40可以涂有防銹涂層。在凸緣24周?chē)b配加強(qiáng)環(huán)40之前，加強(qiáng)環(huán)40可以涂有在凸緣24周?chē)扛驳恼澈蟿？蛇x地，單個(gè)壓力可以采用多個(gè)沖床以在單個(gè)模具中執(zhí)行所有操作。雖然公開(kāi)了本實(shí)用新型的多個(gè)實(shí)施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不脫離本實(shí)用新型范圍的情況下可以進(jìn)行修改。所有這樣的修改及其等價(jià)物均通過(guò)以下權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求1.一種具有孔的金屬件，其特征在于，所述金屬件包括 從所述金屬件的一側(cè)開(kāi)始延伸且具有第一表面和在所述金屬件上與所述第一表面相對(duì)的第二表面的凸緣以及在所述第一表面和所述第二表面之間延伸的剪切邊，其中，所述凸緣折回到所述第一表面上，第二表面限定所述孔的一部分，并且所述剪切邊與所述孔隔開(kāi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬件，其特征在于，所述凸緣是一個(gè)連續(xù)凸緣，并且所述連續(xù)凸緣的第二表面限定所述孔的整個(gè)周邊。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬件，其特征在于，所述凸緣是一個(gè)連續(xù)圓形凸緣，并且所述連續(xù)圓形凸緣的第二表面限定所述孔的周邊。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的金屬件，其特征在于，所述金屬件還包括加強(qiáng)環(huán)，所述加強(qiáng)環(huán)圍繞所述孔進(jìn)行設(shè)置并與所述凸緣的第一表面相鄰，其中，所述凸緣在所述孔的周?chē)３炙黾訌?qiáng)環(huán)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬件，其特征在于，所述加強(qiáng)環(huán)的徑向截面是圓形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬件，其特征在于，所述加強(qiáng)環(huán)的徑向截面是多邊形。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬件，其特征在于，所述加強(qiáng)環(huán)由與所述金屬件相比具有更大抗拉強(qiáng)度的材料制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬件，其特征在于，所述金屬件還包括位于所述加強(qiáng)環(huán)上的防銹涂層。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的金屬件，其特征在于，所述金屬件還包括涂覆在所述加強(qiáng)環(huán)的表面上以將所述加強(qiáng)環(huán)結(jié)合至所述金屬件的粘合劑。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種具有孔的金屬件，通過(guò)形成凸緣并使凸緣折回到自身上方來(lái)加強(qiáng)孔，使得凸緣的卷曲外表面限定孔的周邊。剪切邊與孔的周邊隔開(kāi)。插入到孔中的緊固件的軸與非剪切面接觸。可以環(huán)繞凸緣裝配加強(qiáng)環(huán)。在本實(shí)用新型中，通過(guò)使剪切面遠(yuǎn)離孔，在動(dòng)態(tài)加載期間避免了現(xiàn)有技術(shù)中由孔的剪切面所引起的裂紋發(fā)展的情況。
文檔編號(hào)F16S1/04GK202746914SQ20122026637
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者謝爾蓋·費(fèi)奧多羅維奇·戈洛瓦先科 申請(qǐng)人:福特環(huán)球技術(shù)公司