BRPI0509727B1 - Método e aparelho para adensar engrenagens de metal em pó - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTO- DO E APARELHO PARA ADENSAR ENGRENAGENS DE METAL EM PÓ".

Campo Técnico [001] Esta invenção refere-se ao adensamento pós-sinterização de pré-formas de metal em pó, tais como engrenagens e semelhantes.

Antecedentes da Invenção [002] Engrenagens de metal em pó e outros componentes de me- tal em pó há muito oferecem uma alternativa de baixo custo para com- ponentes forjados. A formação de metal em pó elimina o alto custo as- sociado com a usinagem. Entretanto, componentes de metal em pó tradicionalmente preparados não exibiam resistência e tolerâncias di- mensionais suficientes necessárias para servir como alternativas de baixo custo a aplicações que exigem alta resistência, tais como engre- nagens de transmissão. [003] O aumento da densidade de um componente de metal em pó compactado e sinterizado pode aumentar sua resistência. Uma téc- nica anteriormente conhecida para aumentar a densidade de compo- nentes de metal em pó sinterizados é a de laminar os componentes.

Por exemplo, uma engrenagem de metal em pó pode ser laminada en- tre matrizes de formação para aumentar a densidade do componente, especialmente na superfície, conforme mostrado na Patente Norte- americana N9 5.711.187. Uma desvantagem da laminação é a de que a densidade do componente de metal em pó pode não se mostrar uni- forme depois do processo de laminação. Este problema pode ser de alguma maneira minorado pela laminação inversa; contudo, as etapas de processamento adicionais associadas com a laminação inversa a- crescentam custo e complexidade ao processo e não podem eliminar o problema. [004] Componentes de metal em pó podem também ser submeti- dos à forja por impacto para aumentar a densidade. As Patentes Nor- te-americanas N- 2.542.912 e 5.009.842 descreve a forja por impacto de uma matriz de formação que conforma o componente. A matriz de formação apresenta uma extremidade fechada e o componente é prensado contra a extremidade fechada para intensificar ou completar o adensamento. O componente adensado é removido da extremidade a- berta da matriz de formação. A forja por impacto não é, em geral, aces- sível à fabricação de grande volume.

Descrição da Invenção [005] A presente invenção apresenta um método e aparelho para adensar um componente de metal em pó, tal como uma engrenagem helicoidal. O método inclui a etapa de sinterizar uma pré-forma de metal em pó compactado apresentando um corpo e uma pluralidade de den- tes que se projetam a partir do corpo. A pré-forma de metal em pó po- de ser conformada como uma engrenagem, tal como uma engrena- gem de dentes retos ou uma engrenagem helicoidal. O método tam- bém inclui a etapa de comprimir cada dos dentes da pré-forma em uma direção tangencial ao corpo. Os dentes podem ser comprimidos transversalmente para adensar os dentes e aumentar a resistência do componente de metal em pó. [006] A invenção apresenta também um aparelho para comprimir os dentes da pré-forma. Em particular, a invenção apresenta uma ma- triz que dispõe de uma abertura e uma pluralidade de ranhuras. A a- bertura da matriz pode receber o corpo da pré-forma e as ranhuras podem individualmente receber os dentes. As ranhuras se estendem para fora a partir da abertura e definem um comprimento e uma largu- ra. [007] A largura de cada ranhura individual varia ao longo do comprimento. Em particular, as ranhuras incluem uma porção estreita- da ou estrangulada ao longo do comprimento. A pré-forma de metal em pó pode ser movida através da matriz para comprimir cada um dos dentes em uma direção tangencial ao corpo da pré-forma de metal em pó. Especificamente, cada dente pode ser comprimido na porção es- treita da ranhura. A pré-forma poderá ser axialmente movida e girada durante o movimento através da matriz, quando a pré-forma for forma- da como uma engrenagem helicoidal.

Breve Descrição dos Desenhos [008] Estas e outras características e vantagens da presente in- venção se tornarão mais prontamente apreciadas, quando considera- das em conexão com a seguinte descrição detalhada e desenhos ane- xos, nos quais: [009] a Figura 1 é uma vista em seção transversal parcial em pers- pectiva de uma pré-forma de metal em pó e de uma matriz, de acordo com uma concretização da invenção; [0010] a Figura 2 é uma vista em seção transversal lateral da ma- triz mostrada na Figura 1; [0011] a Figura 3 é uma primeira vista em seção transversal supe- rior da matriz mostrada nas Figuras 1-2, onde a seção transversal é tomada ao longo de um plano que inclui as porções estreitadas das ranhuras; [0012] a Figura 4 é uma segunda vista em seção transversal supe- rior da matriz mostrada nas Figuras 1-3, onde a seção transversal é tomada ao longo de um plano que inclui uma porção mais larga das ranhuras; e [0013] a Figura 5 é uma vista em seção axial esquemática de uma ferramenta de formação de múltiplos estágios que inclui a matriz mos- trada nas Figuras 1-4 e uma pluralidade de matrizes similarmente construídas.

Melhor Modo de de Executar a Invenção [0014] A presente invenção apresenta um método para produzir artigos de metal em pó. O método inclui a etapa de sinterizar uma pré- forma de metal em pó compactado 10 apresentando um corpo cilíndri- co 12 com um diâmetro de corpo 14. A pré-forma 10 também inclui uma pluralidade de dentes 16 que se projeta a partir do corpo cilíndrico 12 para as pontas 18. A pluralidade das pontas 18a define um diâme- tro de ponta 20. [0015] A presente invenção também inclui a etapa de comprimir cada um dos dentes 16 através de cada dente 16 em uma direção tangencial com relação ao corpo cilíndrico 12. Durante a etapa de compressão, os diâmetros do corpo e da ponta 14, 20 podem ser substancialmente mantidos. Durante a compressão, cada um dos den- tes 16 é plasticamente e elasticamente deformado na direção trans- versal a um eixo longitudinal do dente individual 16. A compressão dos dentes 16 aumenta o adensamento dos dentes 16. [0016] O método da presente invenção pode também incluir etapas adicionais, tal como a de comprimir radialmente a pluralidade de dentes 16 e o corpo cilíndrico 12, conforme descrito na Patente Norte-americana N- 6.168.754, que é aqui incorporada para referência em sua totalida- de. [0017] A presente invenção também apresenta um dispositivo de compressão 32 para executar a etapa de compressão. O dispositivo de compressão 32 inclui uma matriz 22 para receber e conformar a pré-forma de metal em pó 10. A matriz 22 pode ser fabricada a partir de aço de ferramenta ou qualquer outro material adequado empregado para formar matrizes. A matriz 22 inclui uma superfície superior 34 e uma superfície inferior 36. Uma abertura 24 se estende entre as super- fícies superior e inferior 34, 36. A matriz 22 pode incluir uma transição entre uma ou ambas as superfícies superior e inferior 34, 36 e a aber- tura 24, tal como uma porção arredondada ou uma chanfradura 44. [0018] Uma pluralidade de ranhuras 26 se estende radialmente para fora a partir da abertura 24. Cada ranhura da pluralidade de ra- nhuras 26 é definida por um par de perfis de formação de dente, tais como os perfis de formação de dente 25, 25a. Os perfis de formação de dentes 25, 25a se estendem a uma altura predeterminada radial- mente para dentro para o centro da abertura 24. O corpo cilíndrico 12 pode ser recebido na abertura 24 e os dentes 16 podem ser individu- almente recebidos nas ranhuras 26. Na concretização da invenção mostrada nas figuras, as ranhuras 26 são helicoidais. A matriz 22 re- cebe uma pré-forma 10 conformada como uma engrenagem helicoidal.

Entretanto, a presente invenção pode ser praticada com uma matriz apresentando ranhuras retas para receber engrenagens de dentes re- tos. [0019] Com referência, agora, às Figuras 2-4, cada ranhura da plu- ralidade de ranhuras 26 inclui um comprimento 28 definido entre as superfícies superior e inferior 24, 26. Além disso, cada uma das ranhu- ras 26 define uma profundidade 46 que se estende entre a abertura 24 e uma superfície externa 54. A profundidade 46 pode ser substancial- mente constante ao longo do comprimento 28. A profundidade 46 ge- ralmente corresponde à altura dos dentes 16. A pluralidade das super- fícies 54 define um diâmetro que correspondente ao diâmetro da ponta 20. [0020] Cada uma das ranhuras 26 também inclui uma largura vari- ável 30, 42 ao longo do comprimento 28. Por exemplo, a ranhura 26 inclui uma primeira porção 38 apresentando uma primeira largura 30 e uma segunda porção 40 apresentando uma segunda largura 42. A lar- gura 30 pode geralmente corresponder à largura dos dentes 16. A se- gunda largura 42 é tangencialmente mais estreita do que a primeira largura 30 com relação à abertura 24. [0021] A segunda porção 40 pode definir uma porção de ampulhe- ta 50. A porção de ampulheta 50 inclui uma porção de estrangulamen- to afunilada, ou inclinada, ou gradualmente estreitada 74, onde uma largura 30a se estreita para a largura 42. A porção de ampulheta 50 também inclui uma porção de expansão afunilada, ou inclinada, ou gradualmente alargada 76, onde a largura 42 se alarga para uma lar- gura 30. As larguras 30 e 30a podem ser iguais ou diferentes. A por- ção de ampulheta 50 pode ser disposta ao longo do comprimento 28 espaçado uniformemente entre as superfícies superior e inferior 34, 36. [0022] A abertura 24 e as ranhuras 26, adjacentes à superfície su- perior 34, definem uma abertura de matriz 56 apresentando um eixo 68 para receber a pré-forma 10. A abertura 24 e a pluralidade de su- perfícies 54 são coaxiais e se estendem substancialmente perpendicu- lares à superfície superior 34, a matriz 22 sendo, portanto, uma matriz de paredes retas. [0023] Com referência agora à Figura 1, em operação, a pré-forma de metal em pó 10 pode ser operavelmente associada com uma pun- ção 58. A punção 58 pode mover a pré-forma 10 axialmente ou rota- cionalmente ao longo do eixo 68. A punção 58 rotacionalmente e axi- almente pressiona a pré-forma 10 através de um espaçador 60 posi- cionado adjacente à superfície superior 34. O espaçador 60 pode faci- litar a inserção da pré-forma 10 com relação à abertura de matriz 56 da matriz. 22. O espaçador 60 pode também incluir ranhuras 62 ali- nhadas com as ranhuras 26 da matriz 22 para receber e guiar o movi- mento dos dentes 16. O espaçador 60 pode ser formado a partir de um material relativamente mais macio do que a pré-forma de metal em pó 10 para reduzir a probabilidade de a pré-forma 10 ser danificada no caso de desalinhamento. [0024] A punção 58 rotacional mente e axialmente pressiona a pré- forma 10 através da matriz 22. Um espaçador de suporte 64 pode ser posicionado adjacente à superfície inferior 36 para sustentar a matriz 22 durante o movimento da pré-forma 10 através da matriz 22. O es- paçador 64 pode incluir ranhuras 66 alinhadas com as ranhuras 26 pa- ra receber e guiar o movimento dos dentes 16. [0025] Durante o movimento da pré-forma 10 através da matriz 22, cada dente da pluralidade de dentes 16 passa através das porções de estreitamento 42 das ranhuras individuais 26. As porções de estreita- mento 42 das ranhuras 26 correspondem a regiões de largura amplia- da definidas pelos perfis de formação de dente 25, 25a dispostos nos lados opostos das ranhuras 26. Os dentes 16 são gradualmente com- primidos e deformados durante o movimento ao longo da porção de estreitamento 74 da porção de ampulheta 50. A compressão máxima dos dentes 16 ocorre na segunda porção 40, onde a largura dos den- tes 16 corresponde à segunda largura 42. A segunda porção 40 atua para transversalmente deslocar o material dos dentes 16, a compres- são sendo tangencialmente dirigida com relação à porção de corpo 12, conferindo o adensamento aos dentes 16. [0026] Depois que os dentes passam a segunda porção 40 duran- te o movimento ao longo do eixo 68, os dentes 16 podem se expandir tangencialmente para fora ao longo da porção de alargamento 76 da porção de ampulheta 50 para recuperar pelo menos parte e preferi- velmente e substancialmente todos os componentes elásticos da de- formação apresentada antes de encontrar a segunda porção 40. As porções de alargamento 76 das ranhuras 26 correspondem a regiões de largura estreitada definidas pelos perfis de formação de dente 25, 25 dispostos nos lados das ranhuras 26. A matriz 22 pode ser incorpo- rada em uma ferramenta de formação de múltiplos estágios, conforme mostrado na Figura 5. Uma pluralidade de matrizes 22, 22A, 22B, 22C pode ser disposta em relação axialmente espaçada com as aberturas de matriz 56, 56A, 56B, 56C dispostas concentricamente em torno do eixo 68. As aberturas de matriz 56, 56A, 56B 56C podem ter a mesma forma geral, embora variem de tamanho. Por exemplo, a menor aber- tura de matriz 56 pode ser disposta em uma extremidade axial 70 e a menor abertura de matriz 56C pode ser disposta em uma segunda ex- tremidade axial 72. [0027] As matrizes 22, 22A, 22B, 22C podem ser separadas por placas espaçadoras 64, 64A, 64B que fixam as matrizes 22, 22A, 22B 22C em relação axialmente espaçada. Durante o movimento ao longo do eixo 68, a pré-forma 10 pode ser girada para passar através de ca- da da pluralidade de matrizes 22, 22A, 22B, 22C. Além disso, durante o movimento através de qualquer das matrizes 22, 22A, 22B, 22C, po- dem ser mantidos o diâmetro de corpo 14 do corpo 12 e o diâmetro de ponta 20 da pluralidade de pontas 18. [0028] Obviamente, muitas modificações e variações da presente invenção são possíveis à luz dos ensinamentos acima. Por isso, deve ser entendido que, dentro do escopo das reivindicações anexas, a in- venção pode ser praticada de outra maneira que não aquela que foi especificamente descrita. A invenção é definida pelas reivindicações.

Claims (19)

1. Método para adensar engrenagens de metal em pó com- preendendo as etapas de: sinterizar uma pré-forma de metal em pó (10) compactado apresentando uma pluralidade de dentes (16); caracterizado pelo fato de que compreende ainda: mover de modo forçado a pré-forma de metal em pó (10) axialmente através de uma primeira matriz (22) e uma segunda matriz (22a) tendo um perfil de formação de dente (25) com uma região de largura ampliada sobre pelo menos uma porção de avanço do perfil (25) na direção do movimento axial da pré-forma (10) e engatando e adensando os dentes (16) da pré-forma (10); e mover a pré-forma de metal em pó (10) axialmente através de um espaçador intermediário (64) estendendo entre as matrizes (22,22a) tendo um de perfil de formação de dente de espaçador mais largo que o perfil de formação de dente de matriz (25, 25a), o perfil de formação de dente de espaçador estendendo entre o primeiro e o se- gundo perfis de formação de dente de matriz (25, 25a) formando uma pluralidade de ranhuras helicoidais contínuas (26,66).

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: guiar a pré-forma de metal em pó (10) para o engate com a primeira matriz (22) com um primeiro espaçador (60) tendo dentes de guia que se estendem entre os dentes (16) da pré-forma (10).

3. Método, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: formar o perfil de formação de dente (25, 25a) da primeira matriz (22) ao longo de uma hélice.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: formar os dentes de guia do primeiro espaçador (60) ao longo de uma hélice.

5. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: manter os diâmetros de ponta (20) dos dentes (16) da pré- forma (10) constantes durante o movimento axial através da matriz (22).

6. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: passar a pré-forma (10) fora da região de largura ampliada e para uma região de largura estreitada definida pelo perfil de forma- ção de dente (25,25a).

7. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: proporcionar uma pluralidade de espaçadores (64a,64b) e matrizes (22a,22b,22c) axialmente sucessivos, com os respectivos perfis de formação de dente (25,25a) das matrizes (22,22a,22b,22c) configurados para conferirem o adensamento progressivamente au- mentado dos dentes (16) da pré-forma (10).

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que ainda compreende a etapa de: alinhar os respectivos perfis de formação de dente (25,25a) da pluralidade de matrizes (22,22a,22b,22c) e dos respectivos dentes de guia dos espaçadores intermediários (64,64a,64b) ao longo de um eixo helicoidal comum que corresponde à estrutura helicoidal dos den- tes (16) da pré-forma (10); e formar os respectivos perfis de formação de dente (25,25a) da pluralidade de matrizes (22,22a,22b,22c) sucessivamente mais es- treitas para conferir o adensamento progressivo aos dentes (16) da pré-forma (10).

9. Aparelho para adensar engrenagens de metal em pó compreendendo: pelo menos um primeiro espaçador (60) tendo ranhuras (66) que se estendem em uma direção axial do primeiro espaçador (60); caracterizado pelo fato de que: pelo menos uma matriz de adensamento (22) apresentando ranhuras (26) alinhados em sucessão axial às ranhuras (66) de pelo menos um primeiro espaçador (60), as ranhuras (26) da matriz de adensamento (22) tendo uma largura variável (42,30) na direção axial (68) ao longo de um compri- mento (28) definindo uma região contraída (74) entre dentes adjacen- tes (25,25a) mais estreitos do que o espaço entre os dentes helicoidais adjacentes do primeiro espaçador (60).

10. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracteri- zado pelo fato de que pelo menos um primeiro espaçador (60) é defi- nido ainda como uma pluralidade de espaçadores (60,64,64a,64b) e pelo menos uma matriz de adensamento (22) é definida ainda como uma pluralidade de matrizes de adensamento (22,22a,22b,22c), a plu- ralidade de espaçadores (60,64,64a,64b) e a pluralidade de matrizes de adensamento (22,22a,22b,22c) sendo dispostas em uma ordem alternada axial.

11. Aparelho, de acordo com a reivindicação 10, caracteri- zado pelo fato de que as respectivas regiões contraídas (74) defini- das pela respectiva pluralidade de matrizes de adensamento (22,22a,22b,22c) são progressivamente menores para conferirem um adensamento progressivo aos dentes (16) da pré-forma (10).

12. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracteri- zado pelo fato de que pelo menos uma matriz de adensamento (22) inclui uma superfície superior (34) adjacente a pelo menos um primeiro espaçador (60) e cada uma das ranhuras (26) de pelo menos uma ma- triz de adensamento (22) é definida ainda cooperando com a superfí- cie de topo (34) para definir uma porção arredondada e uma chanfra- dura (44).

13. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracteri- zado pelo fato de que cada uma das ranhuras (26) de pelo menos uma matriz de adensamento (22) define o comprimento axial (28) e uma altura constante ao longo do comprimento (28).

14. Aparelho, de acordo com a reivindicação 13, caracteri- zado pelo fato de que a porção contraída (74) é centralizada ao longo do comprimento (28).

15. Aparelho, de acordo com a reivindicação 9, caracteri- zado pelo fato de que pelo menos uma matriz de adensamento (22) compreende: uma superfície superior (34); uma superfície inferior (36) espaçada da superfície superior (34); uma abertura (24) apresentando um diâmetro e se esten- dendo entre as superfícies superior (34) e inferior (36); e uma pluralidade de ranhuras (26) se estendendo entre as superfícies superior (34) e inferior (36) radialmente para fora a partir da abertura (24).

16. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15, caracteri- zado pelo fato de que cada uma das ranhuras (26) define uma por- ção de ampulheta (50) ao longo do comprimento (28).

17. Aparelho, de acordo com a reivindicação 16, caracteri- zado pelo fato de que a porção de ampulheta (50) é disposta unifor- memente espaçada entre as superfícies superior (34) e inferior (36).

18. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15, caracteri- zado pelo fato de que as ranhuras (26) são helicoidais.

19. Aparelho, de acordo com a reivindicação 15, caracteri- zado pelo fato de que o diâmetro é constante entre as superfícies su- perior (34) e inferior (36).