CN109311078A - 制造至少部分由金属合金构成的部件的方法及优化方法 - Google Patents

制造至少部分由金属合金构成的部件的方法及优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于制造至少部分由金属合金构成的部件(20)的方法，该方法包括冶金制造步骤a1)，其包括制造部件(20)的主体(21)；其特征在于，该方法随后包括增强步骤a2)，该增强步骤a2)包括直接在部件(20)的应力区域(Z4，Z5，Z6)的主体(21)上形成局部增强件(40,50,60)。本发明还涉及一种用于优化部件的方法。

Description

制造至少部分由金属合金构成的部件的方法及优化方法
技术领域
本发明涉及一种至少部分由金属合金构成的部件的制造方法。本发明还涉及一种部件的优化方法。
本发明涉及制造完全或部分由(黑色金属或有色金属)金属合金构成的部件的领域，其中，所述制造包括连续铸造和锻造操作。
背景技术
30多年前，Saint-Jean工业开发了用于铝及其合金的COBAPRESS(商标)方法。如在文献EP0119365，EP0586314和EP2877353中所具体描述的，这个技术包括在单个锻造操作中锻造铸造预制件。
COBAPRESS方法已被证明在大多数汽车制造商的悬架应用中非常有效。特别是，与传统的铸造相比，采用这种方法可以显着改善机械性能，特别是减少辅助。而且，就成本和可实现的几何复杂性而言，该方法与锻造相比具有竞争力。
EP0586314描述了***件在铸造预制件中的定位，然后撞击预制件以获得最终部件。***件通过材料的变形固定且永久地整合，从而限定局部加强区域。将***件单独形成，然后添加到由预制件构成的部件的主体上，这就是本发明旨在避免的。
如今，在汽车，航空和工业领域中，减少结构的重量是与安全，环境和其他标准的发展相关的一个必要因素。
结构的重量目标随着其上的应力的增加及与市场兼容的成本目标，而不断减小。在今天的大多数情况下，这些限制导致了涉及材料，工艺，重量和成本选择的折衷。
作为示例，如果部件的特定区域承受很大的应力，则该部件的整体材料将由该区域驱动，并导致与该材料的选择相关的更高成本。
发明内容
本发明的目的在于提出一种改进的制造方法。
在这方面，本发明涉及一种至少部分由金属合金构成的部件的制造方法，其中，该方法包括冶金制造步骤a1)，该冶金步骤a1)包括制造部件的主体，其中，该方法还包括增强步骤a2)，该增强步骤a2)包括在该部件的应力区域的主体上形成局部增强件。
因此，利用本发明可以局部地改善部件的机械性能，例如其抗疲劳性或硬度，同时保持增强部件的质量尽可能低并且不使用添加的部件。作为替代或补充，由于本发明，部件的一部分可以局部减小，从而节省空间。此外，利用本发明可以改善部件的整体性能，例如其刚度。
根据第一实施例，冶金制造步骤a1)包括铸造操作a11)，该铸造操作a11)包括制造铸造预制件；及锻造操作a12)，该锻造操作a12)包括锻造铸造预制件以获得部件的主体。这种冶金制造步骤a1)对应于COBAPRESS方法的实施方式。
根据第二实施例，冶金制造步骤a1)包括铸造操作a11)，该铸造操作a11)包括制造部件的主体。该铸造操作a11)之后没有锻造操作a12)。
根据第三实施例，冶金制造步骤a1)包括锻造操作a12)，该锻造操作a12)包括制造部件的主体。该锻造操作a12)之前没有铸造操作a11)。
本发明还涉及一种现有部件设计的优化方法，包括金属合金主体，其中，该优化方法包括以下连续阶段：
b1)识别现有部件的应力区域，例如通过数值模拟识别；
b2)通过在应力区域中提供至少一个形成在主体上的局部增强件来限定包括改进主体的优化部件；
b3)限定符合优化部件的主体的冶金制造工具；
b4)利用工具制造优化部件的主体；
b5)在优化部件的应力区域中，直接在主体上形成局部增强件。
根据本发明的其他有利特征，单独考虑或组合考虑：
该部件是用于汽车(特别是用于枢轴式悬架，方向臂，悬架臂，框架结构部件下等的部件)，航空，工业设备或医疗装置的结构部件。
局部增强件具有布置成至少50％与部件主体接触的表面。
局部增强件基本上与部件的主体结合。
在部件的一个或多个应力区域中，在主体上形成若干局部增强件。
该方法包括在冶金制造步骤a1)和增强步骤a2)之间制备待增强区域的表面的步骤。
该方法包括在增强步骤a2)之后精加工增强区域中的部件的步骤。
该方法包括在步骤a1)和a2)之间对主体的至少一部分施加表面处理的步骤。
该方法包括在步骤a2)之后对主体的至少一部分施加表面处理的步骤。
主体和局部增强件由不同的金属合金制成。
主体由金属合金制成，而局部增强件由复合材料制成。
主体由金属合金制成，而局部增强件由陶瓷材料制成。
局部增强件通过冷喷涂形成。
局部增强件通过微弧氧化形成。
局部增强件通过将采取其最终形状的复合组件粘附在部件的主体上来形成。
局部增强件通过烘烤树脂形成。
局部增强件通过附加制造形成。
用局部增强件代替现有部件的主体的原始部分。
用局部增强件代替在现有部件的主体上嵌入，包覆模制或压制的***件。
优化部件具有与现有部件基本相同的尺寸。
优化部件具有与现有部件相比局部减小的尺寸。
附图说明
通过阅读仅作为非限制性示例给出并参考附图的以下描述，将更好地理解本发明，其中：
图1是符合现有技术的部件的俯视图，该部件包括根据铸造操作及随后的锻造操作制造的金属合金体。
图2是图1中的部件的侧视图。
图3和4是类似于图1和2的视图，示出了用于部件设计的优化方法。
图5和6是类似于图1和2的视图，示出了根据本发明优化的部件，该部件包括在应力区域的主体上形成的局部增强件。
图7是沿图6中VII-VII线的剖面图。
图8至12是类似于图3至7的视图，示出了根据本发明的优化的部件的第二实施例。
具体实施方式
图1至图4中示出了部件10，其包括单片主体11和嵌入主体11中的管状***件18。作为示例，部件10是汽车悬架部件。
主体11是由金属合金(例如铝合金)根据两个连续的铸造和锻造操作而制成。主体11包括主要部分12，端部13和连接部分12和13的长部分14。两个贯通开口15和16布置在部分12中。开口15具有基本上矩形的截面，而开口1516具有圆形截面。
***件18由金属合金(例如钢)制成，然后在主体11所形成的开口16中装配，包覆成型或压制(特别是通过COBAPRESS)。***件18在主体11和通过开口16布置的元件(未示出)之间提供各种功能：热连接，摩擦阻力，润滑等。
在图3和4中示出了分别对应于元件14，15和16的部件10的应力区域Z4，Z5和Z6。
在本发明的上下文中，部件10的应力区域定义为当部件10在使用中时承受大的机械，热，摩擦和/或磨损应力的区域。这些应力被称为大的，因为由于其环境(结合部件的机械***，外部因素等)它们需要特别注意以保持部件的操作完整性。
例如：
机械应力可由该区域经受的弯曲，扭转，牵引和/或压缩力引起；
热应力可由该区域经历的永久或暂时的局部温度升高引起；
由电缆引起的摩擦约束，该电缆沿着该部件延伸并且可以在该区域中摩擦该部件的表面；
磨损约束可由从配备有部件的汽车行驶的地面向该区域喷射材料引起。
在实践中，部件10的区域Z4，Z5和Z6在使用中并非受到相同的应力。
在区域Z4中，在不降低其机械性能的情况下，寻求减轻由金属合金制成的部分14的重量。为此，该部分14的外部部分140可以由复合材料代替。
在区域Z5中，在不改变构成主体11的材料的情况下，在开口15的区域中寻求改进部件10的阻力。为此，位于开口15周围的部分150可由比主体11的抵抗力更强金属合金代替。
在区域Z6中，在不降低在开口16的区域中的部件10的性能的情况下，寻求减小部分12的重量。为此，钢***件18可以通过包含金属颗粒(铝，铜，钴，镍，钼，铝准晶体的合金等)的粉末冷喷涂在开口16中形成的覆盖物来代替。
当然，可以根据要满足的规格文件选择其他解决方案。
根据本发明的部件20在图5至7中示出。部件20是图1至图4中所示的部件10的优化版。部件20具有与部件10类似的功能和尺寸。
部件20的一些组成元件与上述部件10的组成元件相当，为了简化的目的，带有相同的附图标记。部件20的其他组成元件与部件10有所不同，并且具有增加了10的附图标记。
部件20包括主体21，以及分别在部件10的区域Z4，Z5和Z6中直接形成在主体21上的各种局部增强件40,50和60。
如前所述，这些区域Z4，Z5和Z6在使用中并非受到相同的应力。在这些条件下，构成主体21和局部增强件40，50和60的材料的选择是在性能，重量和成本方面的折衷。
主体21由金属合金(例如铝合金)根据两个连续的铸造和锻造操作制成。主体21包括主要部分22，端部13和连接部分22和13的长部分24。两个贯穿开口15和16布置在部分22中。
在区域Z4中，主体21包括设置为局部增强件40的长部分24。部分24由金属合金制成，而增强件40由复合材料制成。例如，增强件40由碳，玻璃或热塑性((特别是以商标名Kevlar已知的聚(对亚苯基四苯基酰胺)纤维形成，预涂有树脂，且具有接近完成的状态。增强件40以复合元件的形式粘附到主体21上并且直接在主体21上呈现其最终形状。增强件40代替主体11的部分140，使得部分14和24基本上具有相同的尺寸。利用增强件40，可以在区域Z4使部件20更轻，而不会降低其机械性能。
在区域Z5中，增强件50代替主体11的部分150。开口15在部分22中穿过该增强件50形成。对于部件10和20，开口15具有相同的尺寸。增强件50例如，通过冷喷涂，由比主体11更强的金属合金制成。与部件10相比，部件20的强度在开口15附近得到改善，而与主体11相比，不改变主体21的材料。
在区域Z6中，***件18由在开口16中通过冷喷涂形成的涂层60代替。部件20的部分22可以用涂层60制造得更轻，而不会降低其在开口16附近的性能。
与增强件40,50和60相比，主体21构成部件的大部分体积。
图8和图9中示出了图3和图4的部件10的变型。在该变型中示出了部件10分别对应于元件14和16的应力区域Z4和Z6。在区域Z4中，部分14的两个外部部分141和142可以由复合材料代替。在区域Z6中，钢***件18可以由在开口16中通过冷喷涂形成的涂层代替。
在图10至12中示出了根据本发明的部件30。部件30是图8和9所示的部件10的优化版。部件30具有与部件10类似的功能和尺寸。
部件30的一些组成元件与上述部件10的组成元件相当，为了简化的目的，带有相同的附图标记。部件30的其他组成元件与部件10有所不同，并且具有增加了10附图标记。
部件30包括主体31，以及直接形成在主体31上的各种局部增强件41,42和60。
主体31由金属合金(例如铝合金)根据两个连续的铸造和锻造操作制成。主体31包括主要部分12，端部13和连接部分32和13的长部分34。两个贯穿开口15和16布置在部分12中。
在区域Z4中，主体31包括设置有两个局部增强件41和42的长部分34。部分34由金属合金制成，而增强件41和42由复合材料制成。增强件41和42代替主体11的相应部分141和142，使得部分14和34具有基本相同的尺寸。利用增强件41和42，可以在区域Z4中使部分30更轻，而不会降低其机械性能。
在区域Z6中，***件18由在开口16中通过冷喷涂形成的涂层60代替。部件20的部分22可以用涂层60制造得更轻，而不会降低其在开口16附近的性能。
而且，在不脱离本发明的范围的情况下，部件10/20/30的形状可以与图1至图12中的不同。
在图5至7和10至12的示例中，每个增强件40/41/42/50/60与部件20/30的主体21/31结合。换句话说，每个增强件40/41/42/50/60具有完全与主体21/31接触的表面。
作为未示出的变型，增强件的与主体接触的表面可以布置成至少50％(并且高达100％)与主体接触。优选地，增强件的表面布置成至少90％与主体接触。
无论本发明的实施例如何，部件20/30至少部分地由金属合金构成，并且包括：
通过冶金制造步骤a1)制造的金属合金体21/31；和
在冶金制造步骤a1)之后的增强步骤a2)期间，直接形成在部件20/30的应力区域中的主体21/31上的至少一个局部增强件。
与增强件相比，主体21/31构成部件20/30的大部分体积。主体21/31可以单独由一个功能部件构成，而该部件的特性可以通过增强件局部地改善。每个增强件的体积小于主体21/31体积的20％，优选小于10％。
在本发明的上下文中，局部增强件可以通过冷喷涂，微弧氧化，附加制造，在模具中烘烤树脂，粘合复合组件(当粘合剂干燥时，其在部件的主体上呈现最终形状)或任何其他合适的技术。
本发明排除了例如通过焊接，螺纹连接或压制添加到主体上的部件的增强件。
本发明还排除了通过包覆成型与主体结合的增强部件。
本发明的目的还在于一种用于至少部分由金属合金构成的部件20/30的制造方法。
该方法包括以下连续步骤a1)和a2)：
a1)冶金制造步骤，包括制造部件20/30的主体21/31；和
a2)增强步骤，包括在部件20/30的应力区域内直接在主体21/31上形成局部增强件。
根据第一实施例，步骤a1)包括根据COBAPRESS方法的铸造操作及随后的锻造据操作。
根据第二实施例，步骤a1)仅包括铸造操作。
根据第三实施例，步骤a1)仅包括铸造操作。
根据步骤a2)中使用的技术，该方法可包括在步骤a1)和a2)之间制备待增强区域的表面的步骤。作为非限制性示例，该表面制备步骤可包括刷涂，脱脂，喷丸，机械加工或沉积。在复合增强件的情况下，沉积可以包括在部件20/30的主体21/31上施加粘合剂。
该方法还可包括在增强步骤a2)之后在加强区域中精加工部件20/30的步骤。作为非限制性实例，该精加工步骤可包括机械加工，抛光或表面处理。
该方法还可包括表面处理步骤。表面处理可以在步骤a1)和a2)之间施加在主体21/31的至少一部分上，或者在步骤a2)之后施加在部件表面的至少一部分上。
本发明还涉及一种用于包括金属合金体11的现有部件10的设计的优化方法。最初，该主体11例如在铸造操作和/或锻造操作之后制造。
优化方法包括以下连续阶段b1，b2，b3，b4和b5：
b1)识别现有部件10的一个或多个应力区域Z4/Z5/Z6，例如通过数值模拟识别。
b2)通过在应力区域Z4/Z5/Z6的主体21/31上形成至少一个局部增强件40,41,42,50和/或60，限定包括改进的主体21/31的优化部件20/30。
b3)限定用于制造优化部件20/30的主体21/31的冶金制造工具(通常是铸造和/或锻造)。用于部件20/31的主体21/31的制造工具不同于用于部件10的原始主体11的制造工具。在某些情况下，用于制造主体11的铸造模具和锻造母模可以简单地修改以用于制造主体21/31。
b4)利用工具制造优化部件20/30的主体21/31。该阶段可以包括根据COBAPRESS方法的实施方式的铸造操作和随后的锻造操作。或者，该阶段可仅包括铸造操作。
b5)直接在优化部件20/30的应力区域Z4/Z5/Z6的主体21/31上形成局部增强件40,41,42,50,60。
上面提到的各种实施例和变型的技术特征可以是整体或者它们中的一些，彼此组合。因此，部件20/30可以在成本，功能和性能方面进行调整。

Claims (18)

1.一种用于制造至少部分由金属合金构成的部件(20；30)的方法，其中，所述方法包括冶金制造步骤a1)，所述冶金制造步骤a1)包括制造所述部件(20；30)的主体(21；31)，其特征在于，所述方法还包括增强步骤a2)，所述增强步骤a2)包括在所述部件(20；30)的应力区域(Z4，Z5，Z6)中直接在所述主体(21；31)上形成局部增强件(40,41,42,50,60)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冶金制造步骤a1)包括铸造操作a11)，所述铸造操作a11)包括对铸造预制件进行制造；及随后的锻造操作a12)，所述锻造操作a12)包括锻造所述铸造预制件以获得所述部件(20；30)的主体(21；31)。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述冶金制造步骤a1)包括铸造操作a11)或锻造操作a12)，所述铸造操作a11)或锻造操作a12)包括制造所述部件(20；30)的主体(21；31)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50,60)具有布置成至少50％与所述部件(20；30)的主体(21；31)接触的表面。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50,60)基本上与所述部件(20；30)的主体(21；31)结合。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述部件(20；30)的一个或多个应力区域(Z4，Z5，Z6)中在所述主体(21；31)上形成若干局部增强件(40,41,42,50,60)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述冶金制造步骤a1)和所述增强步骤a2)之间制备待增强的所述区域(Z4，Z5，Z6)的表面的步骤。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括在所述增强步骤a2)之后对所述增强区域(Z4，Z5，Z6)的部件(20；30)进行精加工的步骤。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述主体(21；31)和所述局部增强件(50,60)由不同的金属合金制成。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述主体(21；31)由金属合金制成，而所述局部增强件(40,41,42)由复合材料制成。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50,60)通过冷喷涂形成。
12.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50,60)通过微弧氧化形成。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50,60)通过将采取其最终形状的复合组件粘附在所述部件(20；30)的主体(21；31)上而形成。
14.根据权利要求10或13所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50,60)通过烘烤树脂形成。
15.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50,60)通过附加制造形成。
16.一种优化包括金属合金主体(11)的现有部件(10)的设计的方法，其中所述优化方法包括以下连续阶段：
b1)识别所述现有部件(10)的应力区域(Z4，Z5，Z6)，例如通过数值模拟识别；
b2)通过在所述应力区域(Z4，Z5，Z6)中提供至少一个形成在主体(21；31)上的局部增强件(40,41,42,50,60)来限定包括改进的所述主体(21；31)的优化部件(20；30)；
b3)限定符合所述优化部件(20；30)的主体(21；31)的冶金制造工具；
b4)利用所述工具来制造所述优化部件(20；30)的主体(21；31)；和
b5)在所述优化部件(20；30)的应力区域(Z4，Z5，Z6)中，直接在所述主体(21；31)上形成所述局部增强件(40,41,42,50,60)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(40,41,42,50)代替所述现有部件(10)的主体(11)的原有部分(140,150)。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述局部增强件(60)代替嵌入，包覆模制或压制在所述现有部件(10)的主体(11)上的***件(18)。
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