法兰制备工艺及其应用的制作方法

本发明要求美国申请号为14/930,449,申请日为2015.11月2日的发明专利申请的优先权。

背景技术：

本发明涉及涉及法兰和法兰组件，更特别地，主要在内燃机，例如在机动车，如汽车，卡车或摩托车等尾气或排气系统中使用的法兰和法兰组件。

在排气系统技术领域中，排气法兰通常用于将排气管的端部彼此连接。在这样的系统中，通常使用冲压或锻造和/或机械加工的法兰，法兰被焊接到排气管的端部，法兰有一个平坦的配合端面，在配合端面之间放置一个垫圈通过螺栓与法兰连接。

目前制备排气法兰的主要工艺如下：

a)轧出板材冲压法兰后精加工；

b)热锻后精加工；

c)粉末金属成型和烧结；

然而上述工艺存在如下缺陷和不足。

例如，冲压法兰容易泄漏，因为目前的焊接工艺引入了很强的应力，从而影响了装配端面的平坦度。这种泄漏现象在车辆使用过程中随时可能发生，这是因为暴露在高温和低温下会促进应力释放。考虑到排气法兰连接泄漏的原因之一为腐蚀，并考虑到了未来EPA法规的改变，当务之急是采用合适的材料，甚至更高级的不锈钢材料。

采用基本原料板材卷，不仅仅增加了如运输，仓储，标记和边缘化等内在的费用，更重要的是将板材卷平直的设备成本和处理成本将增加实际制造成本。由于冲压工艺产生废料，会导致材料的浪费从而增加了材料成本。

对于热锻法兰，原料为轧制棒料。这种材料也增加了如运输，仓储，标记，边缘化等成本，最重要的是，设备成本和将切割坯料加热并供给金属模具的工艺成本将作为固有成本而增加实际制造成本。

粉末金属法兰由于技术水平有限而非常昂贵，并且需要非常高的加工成本。此外粉末金属零件倾向于产生高孔隙度。

鉴于前述，当前需要提供一种法兰和法兰组件，其能够克服上述问题，从而降低法兰成本和延长法兰使用寿命。

发明概述

因此，本发明的目的是提供一种在钢厂就地制备排气法兰的工艺，该工艺能够减少材料浪费，利用该工艺能够提高产出率。

本发明的另一个目的是提供一种精冲(fine blanking)加工方法制作排气法兰的工艺。该法兰背面围绕中心孔具有凸起部，由于该凸起部，它可以使得焊接部分远离密封面和从而减少法兰配合表面的变形和泄漏。

本发明的另一个目的是提供一种使用由上述方法制成的法兰的工艺，即提供一种法兰组件，用通过精冲工艺制成的法兰的法兰接头组件。所述接头组件可以克服精冲法兰的缺点。

本发明的具体细节将以实例的方式在下面的发明详述和结合附图的具体实施例中详细描述。

附图说明

下面将参考附图，以示例的方式详细描述本发明的实施方式。

图1.显示钢厂就地进行的法兰制备工艺；

图2显示轧辊(rolling mill)上具有压制形状(impressed form)的制备法兰工艺；

图3A显示的是精冲工艺制备的法兰；

图3B显示的图3A的剖视图；

图4是精冲工艺制备的孔锯底板；

图5.显示由精冲法制成法兰的一个法兰组件实施例的截面图；

图6是法兰组件的另一个实施例的截面图，该法兰组件中包括一个催化转化器；

图7是一个催化转化器实例的截面图。

图8是法兰组件的另一个实施例的截面图，该法兰组件中包括一个催化转化器；

具体实施方式

1.法兰制备工艺

图1所示为本发明的法兰制备工艺的第一个实施例，这是在钢厂就地进行。来自于最终轧辊1(rolling mill)的热金属板，通过同步的压制(press)工艺，如冲压(punching)(站1)，产生凸起环的切割(lancing)(站II)和冲裁(blanking)(站III)处理。其中来自于最终轧辊的热金属板的温度的可以是大约1000℃。

所述工艺产生的没有利用的坯料5或碎料2可直接回收到熔炼炉。基本完成毛坯3可在钢厂就地精加工或在附近的配套厂进行处理。

由于从热轧机来金属板仍然是热的，从而后续的加工更容易，且未使用的坯料/碎料可以直接再循环进入熔炼炉。它使工艺成本低，具有节能和环保优点。

然而，本发明的另一个实施方案是使用含有压制形状12的轧辊11的方法从而在热金属板上直接压制出法兰的形状，这些法兰形状将由网状薄片和金属片(thin flash web and slugs)14连接，并将后续的同步压制站冲出。同步压制站可以是一个冲击站。由于网状薄片(thin flash web and slugs)是薄的，它可以在冲压过程很容易冲出，从而能够节省能源，也可节省材料和提高产出率。

该方法也可以通过改变轧辊11上的压制形状12，从而在法兰的中间孔周围产生凸起项圈和加强肋。

少量的网状薄片和金属片14等下脚料也可以再循环回到熔炼炉。

同样的，基本完成的坯料3可以在钢厂直接精加工或在附近的配套厂进行处理。

轧辊11可以是用于热轧的唯一轧辊，它也可能是唯一的热轧辊机，或者是热轧工艺中的最后一个轧辊机。

为了节省材料，网状薄片和金属片(thin flash web and slugs)14的厚度可以尽可能的薄。它可以为约5mm以下或小于5mm。该网状薄片和金属片(thin flash web and slugs)14可能是中心孔和各法兰体的周边。

本发明第三个实施方式采用精冲工艺制备法兰，所制备的法兰如图3A和3B所示。精冲工艺过程包括由精冲工艺(fine blanking process)从冷的金属板上冲出法兰形状。这个过程包括一系列的压制(press)工艺，如冲压(punching)(站1)，产生凸起环的切割(lancing)(站II)和冲裁(blanking)(站III)处理。最大的好处是，许多特征，如沉孔(counter bores)22和凸起(protrusions)21可以通过精冲完成从而无需昂贵的加工，而且中心孔将具有精密公差和高光洁度而无需任何再加工。

精冲切加工可以在法兰的前端表面沿着中心孔周围形成突起21和在后端面上形成沉孔22。前端表面是连接到另一法兰的配合面。该法兰可以通过切割(lancing)工艺以形成凸起21和含有圆弧的半沉孔(semi counter bore with radius)。

凸起21的厚度可以为所装配管的厚度的1-1.5倍。它可以减少焊接目的的视差(disparity)。它需要管和法兰的低热量焊接。此外，由于将加热区进一步远离配合面，从而最小化焊接引起的任何变形和泄漏。

精冲过程产生的中心孔的碎片可以进一步使用，用于制备零部件如孔锯底板31(图4)，小滑轮等。

2.应用精冲工艺制备的法兰的法兰组件

上述精冲工艺制备的法兰，由于将焊接加热区进一步远离配合面处，从而减少了配合面的变形和泄漏。但它也有缺点。为了冲出凸起，在排气组件的密封表面上产生的空腔或一个埋头孔。由此而产生了一个不利的涡流，也为凝结水生成一个袋状区，从而促进腐蚀的产生。为了克服该缺点，本发明提供了一种法兰组件。

1).法兰组件第一实施例

图5显示了一种法兰组件。该法兰组件包括：第一法兰63和第二法兰64，用于分别接收需要连接的第一管61和第二管62的端部，所述法兰63和64被固定到彼此，从而连接所述管61和62，所述法兰63和64中，当彼此相配合时，具有至少两个相对的贯通孔，并且紧固装置定位通过所述相对孔以便将所述法兰固定。

如图5所示，箭头A表示的热气体流过法兰组件的方向。所述第一法兰63通过焊接67接合到第一管子61,属于消音器侧的一个子组件元件。第二法兰64通过焊接68接合到管62,属于发动机/电动机侧的一个子组件元件。第一法兰63被设置在第一管61端部和第二法兰64被设置在第二管62的端部预定长度的突出部分，当法兰连接后，第二管子62管端突出部分从第二管子62延伸至第一管子61的端部。因此，第一法兰63和第二法兰64的接合面被第二管子62的突出部分的内周覆盖。

在本实施例中，第一管子61的端部扩大，第二管子62通过第二法兰64为紧密配合延伸到第一管61的突出部，或者，第二管子62是缩小的，以便能够插入第一管子61内。

优选地，所述第一管子是在下游侧和第二管子是在上游侧，但当然相反也可以。

这种设计提供了以下优点：精冲工艺制备的两个法兰所述环或沉孔70和71被第二管子62的突出部分覆盖，因而可避免不希望有的涡流；第二管62的突出部分还有助于减配合表面的气体泄漏，重叠的管结构还避免了在法兰接头区域产生凝结空隙。

优选地，被法兰组件可包括一个或两个重叠垫圈(未示出)设置在所述环或沉孔70和71内。尽管接头可能会因此而失去一些拉伸性，但是可避免接头处的泄漏。

该法兰组件是通过精冲工艺制成的法兰说明的，其具有如图所示的沉孔22和凸起21。但是，该组件也可以用于其它不含有凸起21或沉孔22的法兰。

在图6所示的另一个实施方案中，催化转换81也可包括在法兰组件中。该催化转换器81安装在环或沉孔71(Undercut)上。它可以起密封作用，同时可以作为额外的空气净化器，因为排气系统中的主催化转换器不能100％净化空气。

具有安装架的催化转化器的一个实施例如图7所示，其中该催化转换器81是填充1有催化剂载体或基底和催化剂本身的圆筒形室，所述催化剂可以是任何常规催化剂，其将废气中的有毒污染物通过催化氧化还原反应转化为低毒性物质。本领域熟练的技术人员可以根据需要选择合适的催化剂。安装框架82可以包括一个底部821，侧部822和环形法兰823。催化转化器81被附接到底部821和底部821可以是一个环形板。侧部822可以是圆筒状从而放置在第一管子和第二管子重叠部分之间的间隙内，该环形法兰823坐落在所述第二法兰的环或沉孔71内。任选地，该环形法兰823的横截面与所述的环或沉孔71的横截面一致，因此环形法兰823可作为一个密封或垫圈坐落在环或沉孔71内。

在召回的情况下，例如大众汽车公司曾在2005年召回，他们不得不添加一个小催化转化器到排气系统以减排。但在排气系统外部已经没有空间。所以这个法兰接头内的一个小型催化转化器对将有助于减少排放。

由于催化转换器被安装在法兰组件，它很容易在必要时被更换。另一方面，催化转化器的安装也可以提高接头的密封性。

这种含有催化转换器的法兰组件可用于发展中国家(如印度和中国)比较普及的两轮车或三轮车的排气系统上使用。

2)法兰组件第二实施例

法兰组件的另一个实施例如图8所示，其包括：第一法兰163和第二法兰164，分别与第一管161和第二管162的端部接合，通过将法兰163和64连接从而将管子161和162连接，所述法兰163和164可以以任何常规手段结合，如螺母和螺栓结合。

法兰163和164通过精冲工艺制备，其分别具有沉孔(counter bore)171和172，当两个法兰结合时，两个沉孔形成一个环形空腔173。催化转化器174被安装在所述空腔173中。该催化转换器174可以是具有催化剂内的圆筒形。该催化转换器174具有一个安装环175，该安装环175可以被可装配固定在环腔173中，从而将催化转化器固定在管道内。

由于催化转换器被安装在法兰组件上，它很容易通过解开法兰组件如松开螺栓而拆除。另一方面，催化转化器的安装也可以提高该法兰接头的密封性。

本领域技术人员根据本发明的描述能够作出很多变化，这些变化是显而易见的，也属于本发明保护范围之内。因此，应当理解的是，本发明的权利要求书的保护范围应不限于上述的具体实施例。本发明可能的变化包括，例如，法兰组件也可以使用其它任何法兰，例如不具有沉孔/腔但具有凸起的法兰，制备法兰的方法可为冲压(stamping)，精冲(fine blanking)，孔翻边(hole flanging)，切缝(lancing)等等。