CN101610861B - 粉末金属锻件和其制造方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用来形成粉末金属锻件(B)的方法和装置，包括用于形成粉末金属锻件(B)的模具组(A1D)，模具组具有第一模具(A)，该第一模具(S)沿纵向方向(ZC)与第二模具(D)互补。该模具组(A、D)具有至少两个尺寸结构(10)，所述结构的尺寸具有纵向部分(10)和侧向部分(18)，至少侧向部分(18)沿纵向方向(ZC)变化，每个模具(A、D)内至少有一个这种结构(10)。第一模具(A)和第二模具(D)中的每个包括城堡形分型交界面(12、13)，将第一模具内的侧向变化的内部纵向结构(10、18)与第二模具(D)内的侧向变化的结构(10、18)分割开。模具(A、D)内的城堡形交界面(12、13)为粉末金属锻件(B)提供具有相对轮廓的结构而使该部件(B)不会陷在模具(A、D)内。

Description

粉末金属锻件和其制造方法和装置

相关申请的交叉引用

本申请要求对2006年12月12日提交的美国临时专利申请第60/869,659号的权益，其以参见的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及一种粉末金属锻件，具体来说，涉及在锻造过程中具有侧向流动的粉末金属锻件。

背景技术

在制造诸如等速万向节(CVJ)内座圈那样的粉末金属锻件中，有时要求直接从锻压机中提供淬透的部件。这要求该部件从锻造工具中脱出之后直接进行淬火。在锻造这种部件时，上模向下移动到下模以使钢坯变形，就形成了该部件。这导致该部件的上模和下模相遇之处的两侧上形成溢料，该处是用于CVJ的内座圈的轴承座圈的区域。如果对该部分直接进行淬火，则工具溢料处于淬火状态中。硬修整是从该部件剪除溢料毛刺的一种方法，尽管能够进行这种硬修整，但并不实用，因为该溢料可超过当前修整的硬度，可能对于操作者形成危险情况，还可负面地影响产品的质量。即，该部件可在修整过程中分裂并飞出工具限定的范围之外。还有，轴承座圈是精密的表面，且相当复杂，因而使得它们非常不易于剪切。

已知一种锻造CVJ内座圈的方法，其使用分节段的模具(6个模具节段)通过使用传统的冷锻技术来形成CVJ内座圈。然而，该技术需要机器钻孔和相当长时间渗碳过程。此外，在部件上对应于六个模具节段有六个垂直的证示线。该方法的其它缺点在于，它相对复杂、加工设置成本高和寿命相对短。

此外，已知具有交互的或相对的滚珠滚道的CVJ，其中滚道的浅端和深端交替变换着位置，即，浅端和深端间隔着滚道布置。参见例如美国专利第5,221,233号。这些设计可用于铰接角大和最大转矩高的等速固定接头中。一种加工这种装置的方法是使用在锻造过程之后可被分离开的如上所述的分节段模具。这增加了过程的复杂性、延长了循环时间并由于模具润滑剂的原因在热锻环境中污染密封的表面。此外，该工艺用在冷锻过程中来制造CVJ。

在CVJ的内座圈中，由于交替的滚珠滚道，滚珠滚道的浅端和深端每隔一个滚道交替地布置，因此，在锻造过程中，形成的内座圈具有材料的侧向流动。在上述过程中，上模向下移动到下模以使钢坯变形，除了部件的在上模和下模相遇之处的两侧上形成溢料之外，在形成该部件之后，由于锻造过程中材料侧向流动，上述过程不允许模具组分离开。可以用棒料来加工出带有交替滚珠滚道的CVJ，或用没有相对滚珠滚道的粉末金属部件进行加工，但这种做法成本高且材料利用率不高。

本技术所需要的是一种设计和工艺过程，其给予几乎纯粹成形的交替滚珠滚道的CVJ，或包括锻造过程中侧向流动的其它粉末金属部件，而不造成循环时间的加长并保持工具组的相对简单性。

发明内容

本发明提供一种设计和工艺过程，其给予几乎纯粹成形的交替滚珠滚道的CVJ，或包括锻造过程中侧向流动的其它粉末金属部件，而不造成循环时间的加长并保持工具组的相对简单性。

此外，本发明提供一种粉末金属锻件和其制造方法和装置，该装置包括一闭合的模具组以及粉末金属预成形件，预成形件在闭合的模具组内进行锻造以产生最少的溢料，或无溢料/精确溢料的粉末金属锻件。

在本发明的一种形式中，本发明包括用来形成粉末金属锻件的模具组，其包括第一模具，该第一模具沿纵向方向与第二模具互配。该模具组具有至少一个侧向变化的内部纵向结构，该内部纵向结构沿纵向方向从第一模具延伸到第二模具。第一模具和第二模具中的每个包括城堡形分型交界面，将每个侧向变化的内部纵向结构分割成为第一模具内的第一构件和第二模具内的第二构件。

在本发明的另一种形式中，本发明包括用来形成粉末金属锻件的模具组，其包括第一模具，该第一模具沿纵向方向与第二模具互补。该模具组具有至少一个内部纵向结构，该内部纵向结构沿纵向方向从第一模具延伸到第二模具。至少一个内部纵向结构具有沿纵向方向变化的侧向部分。

在本发明的另一种形式中，本发明包括城堡形的模具组，其包括具有纵向方向和第一模具匹配轮廓的第一模具，该第一模具匹配轮廓具有横向于纵向方向的第一多个模具匹配表面。该第一多个模具匹配表面包括至少第一表面和第二表面。第一表面位于沿纵向方向的第一位置，而第二表面位于沿纵向方向的第二位置。第一位置沿纵向方向偏离第二位置。第二模具具有第二模具匹配轮廓，第二模具匹配轮廓具有横向于纵向方向的第二多个模具匹配表面。该第二多个模具匹配表面包括至少第三表面和第四表面，第三表面位于与第一位置互补的第三位置，而第四表面位于与第二位置互补的第四位置。

在本发明的另一种形式中，本发明包括一种制造粉末金属锻件的方法，该方法包括如下步骤：提供城堡形的模具组，其具有第一模具，该第一模具沿纵向方向与第二模具匹配，该模具组具有至少一个侧向变化的内部纵向结构，该内部纵向结构沿纵向方向从第一模具延伸到第二模具，第一模具和第二模具中的每个包括城堡形分型交界面，将每个侧向变化的内部纵向结构分割成为第一模具内的第一构件和第二模具内的第二构件；将预成形件插入到第一模具内；通过使第一模具接触抵靠第二模具来关闭模具组；以及压缩冲头抵靠预成形件，该压缩步骤在关闭步骤之后，并将预成形件转变为粉末金属锻件。

在另一方面，本发明包括粉末金属锻件，其包括第一端、与第一端相对的第二端，以及连接第一端和第二端的外轮廓。该轮廓具有至少一个外纵向结构。该外轮廓还包括城堡形分型线，该分型线将至少一个外纵向结构分割为第一部分和第二部分，第一部分从城堡形分型线朝向第一端延伸，第二部分从城堡形分型线朝向第二端延伸。

在另一方面，本发明包括一种粉末金属锻件，其包括第一端、与第一端相对的第二端，以及连接第一端和第二端的外轮廓。该轮廓包括多个纵向突出和多个纵向凹陷。多个纵向突出中的每个由多个纵向凹陷中的对应凹陷与多个纵向突出中的另一个分型。该外轮廓包括城堡形分型线，该分型线分割多个纵向突出和多个纵向凹陷。

本发明提供一种设计和工艺过程，其给出几乎纯粹成形的交替滚珠滚道的CVJ，或包括锻造过程中侧向流动的其它粉末金属部件，而不造成循环时间的加长并保持工具组的相对简单性。本发明提供以下的可能性：减少制造循环时间、降低制造部分的总成本、减小形成该部分所需工具的复杂性。本发明可用于粉末锻造工艺中，其所需要的循环时间短于冷锻工艺所需的时间，且只需除去最少的原料。本发明有助于将该部件与工具接触时间减到最少，由此，也降低加工成本。

若锻造部件内需要内部花键，本发明还可用来锻造这样的内部花键。此外，可形成预成形件，于是在锻造过程中预成形件很少弯曲或没有弯曲；尤其是在预成形件的内直径上形成纵向花键。

本发明还可用来提供产生最少的溢料，或无溢料/精密溢料的粉末金属锻件。还可应用本发明，在锻造过程中，很少或没有材料的重叠或折叠，并可用于密度相当高的预成形件。根据本发明制造的锻件可在锻造过程之后立即用油浸而进行直接淬火。

本发明可用来对制造带有交替滚珠滚道的等速万向节的内座圈提供成本经济的方法。本发明还可用来制造具有本发明某些或全部优点的其它复杂的部件。

从以下的详细说明和附图中，将会明白到本发明上述和其它的特征和优点。在下面的描述中，将参照示出本发明优选实施例的附图。

附图说明

图1A-1F是示出根据本发明的方法和装置的实施例的一系列示意剖视图；

图2是图1A-1F的模具组的剖视立体图；

图3是其中插入有粉末金属的预成形件的图2的模具组的剖视的立体图；

图4是图1的城堡形的上模的局部剖视立体图；

图5是图1的城堡形的下模的局部剖视立体图；

图6是根据本发明的具有交替滚珠滚道的CVJ内座圈的立体图；以及

图7是图6的CVJ内座圈的另一立体图；

图8是图6的CVJ内座圈的剖视立体图；

图9是图6的CVJ内座圈的剖视图；

图10是图1和3的粉末金属的预成形件的立体图；以及

图11是图1和3的粉末金属的预成形件的另一立体图。

具体实施方式

现参照附图，且更具体地参照图1A-6，图中示出形成粉末金属锻件B的方法和装置，其中，在图1A中，预成形件B加载到模具腔内，芯棒E插入穿过预成形件，其中预成形件和芯棒E可形成花键或用于两个轴之间或轴与毂之间的驱动连接的其它形状。图1B中，上模A向下移动而接触下模D。模具A和D构成模具组。缸体C上有足够大的力，从而在整个锻造过程中使上模A和下模D保持接触。锻压机循环中此时(图1A-1B)没有进行锻造。在图1C中，上模A继续向下加压于下模D，压缩缸体C，一直到下冲头F的面，以此将锻件B锻造到其最终锻成的大小和形状。在该步骤中，预成形件的下部被下冲头F上推，进入上部内，沿纵向方向有效地缩短该预成形件，纵向和侧向地填充模具腔而形成最终锻造的大小和形状。

在图1D中，上模A移动到其最上的位置，下模D在缸体C的驱动下移动到其最上的位置，将该部件部分地脱出芯棒E之外，并从下冲头F将其提升，如图所示。可调整脱出时间以消除锻造部件B的底部和下冲头F的顶面之间的间隙量。在图1E中，下冲头F上移而完成锻造部件B从下模D中脱出和离开芯棒E。锻造部件B可用任何合适装置从压机中取出，通常为自动操作(未示出)。在图1F中，下模D下移到压机位置，于是完成第一次完全的压机循环。

更具体地参照图4-7，用来形成粉末金属锻件B(锻造的)的城堡形模具组A、D包括可沿纵向方向ZC与第二模具D匹配的第一模具A。该模具组具有至少一个侧向变化的内部纵向结构10，其沿纵向方向ZC从第一模具A延伸到第二模具D。第一模具A和第二模具D分别包括城堡形分型交界面12、13，将每个侧向变化的内部纵向结构10分割成为第一模具A内的第一构件14和第二模具D内的第二构件16。城堡形分型的交界面12可近似地呈方波形式，如图4和5所示，或者可具有诸如正弦波或更加随机的城堡形那样的其它形状，视结构10的构造而定。

内部纵向结构10包括横向于纵向方向ZC并沿着纵向方向ZC延伸的尺寸(extent)18。至少一个尺寸18沿纵向方向ZC膨胀和/或收缩。该模具结构形成交替的滚珠滚道，具体如图6和7所示，其中，每隔一个滚道交替地定位浅端和深端。换言之，所有滚珠滚道在侧向尺寸内变化，而相邻的滚珠滚道沿相反方向在侧向尺寸内变化；沿着一纵向方向，一个滚道变得侧向较宽，而邻近的一个滚道变得侧向较窄。在此情形中，在锻造该部件之后，在单个水平平面内分离的两个模具不能打开，因为模具可能楔合到该部件内；而本发明的新型城堡形模具组可用来锻造CVJ的粉末金属内座圈或具有在侧向部件内交替地或其它方式相对地变化的如图所示的滚珠滚道或纵向部件和侧向变化部件的尺寸结构的其它部件，或者包括流入沿相反方向呈锥形的空间内的侧向流动(即，在锻造过程中，沿一个纵向方向，某些空间侧向地逐渐变小，而其它空间侧向地逐渐变大)的其它粉末金属零件。

首先，模具匹配轮廓12包括横向于纵向方向的第一多个模具匹配表面20、22，其中该第一多个模具匹配表面包括至少第一表面20和第二表面22。第一表面20位于沿纵向方向ZC的第一位置，第二表面22位于沿纵向方向的第二位置，其中，第一位置沿纵向方向偏离第二位置。

同样地，第二模具D具有第二模具匹配轮廓13，第二模具匹配轮廓具有横向于纵向方向的第二多个模具匹配表面24、26。第三表面24位于与表面20的第一位置互补的第三位置，而第四表面26位于与表面22的第二位置互补的第四位置。

表面20、22和24、26可如图所示地以周期性方式交替，这形成了城堡形的分型交界面12、13。表面20、22和24、26可近似地垂直于纵向方向，但这并不是一定的。模具分型表面在某一点分割模具的侧向变化的内部纵向结构10，以使该结构10的尺寸不会沿从分型交界面12、13到对应模具的纵向端的方向侧向地减小，换言之，它们保持不变或沿该方向侧向地变得越来越大，由此，阻止模具A、D在锻造部件脱出时楔入到锻造部件内。

参照图6-9，具体地参照图6，粉末金属锻件B包括第一端28、与第一端28相对的第二端30，以及连接第一端28和第二端30的外轮廓32。外轮廓32具有至少一个外部纵向结构34和城堡形分型线36，该分型线将每个结构34分割为第一部分38和第二部分40，第一部分38从城堡形分型线36朝向第一端28延伸，第二部分40从城堡形分型线36朝向第二端30延伸。

每个第一部分38包括从城堡形分型线36到第一端28不减小的第一侧向尺寸42。第二部分40包括从城堡形分型线36到第二端30不减小的第二侧向尺寸44。所谓侧向方向是指不平行于纵向方向的任何方向，纵向方向是沿着通过部件中孔的轴线的方向，在此情形中，纵向方向也就是模具打开和关闭的方向。城堡形分型线36可近似地呈如图所示的方波形式；然而，也可能有许多其它的形状，视纵向结构和模具A、D的构造而定。粉末金属锻件B可以是如图所示的等速万向节的内座圈，在锻造开始之前，当模具A、D关闭时，其沿城堡形分型线36有最少的溢料。可通过锻后处理除去沿线36(线36显示在图6和7中示出的线36)的任何溢料，于是，在最终锻件B中看不见线36。粉末金属锻件B可包括内部花键46，在此情形中，芯棒E可以是花键的。

具体地参照图10和11，预成形件B包括粉末金属成分，其已经压实并然后进行烧结。例如，粉末金属的成分可包括约0.40％至2.00％之间的Ni、约0.50％至0.65％之间的Mo、约0.10％至0.35％之间的Mn，以及0.0％至1.20％之间的C，其余部分为铁(均以重量百分比计)。预成形件B是非圆柱形的预成形件，其包括第一端48、与第一端48相对的第二端50，以及连接第一端48和第二端50的外轮廓52。该外轮廓52包括多个纵向突出52和多个纵向凹陷54。每个纵向突出52由对应的纵向凹陷54与另一个突出52分型。内轮廓56连接第一端48和第二端50，其中，内轮廓56具有多个纵向花键58。花键58对预成形件B提供强度，尤其是在锻造过程中，它在锻造过程中保持该预成形件不弯曲。预成形件最好是高密度的，这可产生较佳的锻件特性，但一般而言，随着材料密度提高，材料的流动性就降低。因此，通过纵向花键58增加强度的预成形件B的密度有利地在近似为6.0g/cm³至8.0g/cm³的范围内，特别较佳地在近似为6.85g/cm³至7.55g/cm³的范围内。内轮廓也可包括键槽(未示出)，当预成形件插入到模具内时，键槽可帮助预成形件定向。

已经较详细地对本发明的优选实施例进行了描述。本技术领域内的技术人员将会明白对于所述优选实施例可作出许多更改和变化。因此，本发明不应局限于所述的实施例。

Claims (18)

1.一种用来形成粉末金属锻件的城堡形模具组，所述模具组包括：

第一模具，所述第一模具沿纵向方向与第二模具可匹配，所述模具组具有至少一个侧向变化的内部纵向结构，所述内部纵向结构沿所述纵向方向从所述第一模具延伸到所述第二模具，所述第一模具内的所述结构与所述第二模具内的所述结构相反地变化，所述第一模具和所述第二模具中的每个包括城堡形分型交界面，所述分型交界面将每个所述侧向变化的内部纵向结构与另一侧向变化的内部纵向结构分割，所述第一模具的分型交界面与所述第二模具的分型交界面匹配。

2.如权利要求1所述的模具组，其特征在于，

每个所述城堡形分型交界面近似地呈方波形式。

3.一种城堡形的模具组，包括：

第一模具，所述第一模具具有纵向方向和第一模具匹配轮廓，所述第一模具匹配轮廓具有横向于所述纵向方向的第一多个模具匹配表面，所述第一多个模具匹配表面包括至少第一表面和第二表面，所述第一表面位于沿所述纵向方向的第一位置，所述第二表面位于沿所述纵向方向的第二位置，所述第一位置沿所述纵向方向偏离所述第二位置；

第二模具，所述第二模具具有第二模具匹配轮廓，所述第二模具匹配轮廓具有横向于所述纵向方向的第二多个模具匹配表面，所述第二多个模具匹配表面包括至少第三表面和第四表面，所述第三表面位于与所述第一位置互补的第三位置，所述第四表面位于与所述第二位置互补的第四位置。

4.如权利要求3所述的城堡形模具组，其特征在于，

所述第一多个模具匹配表面包括第一多个交替的所述第一表面和所述第二表面对。

5.如权利要求4所述的城堡形模具组，其特征在于，

所述第二多个模具匹配表面包括第二多个交替的所述第三表面和所述第四表面对，所述第二多个交替对与所述第一多个交替对互补。

6.如权利要求3所述的城堡形模具组，其特征在于，

每个模具具有带有纵向部分和侧向部分的结构，所述侧向部分的尺寸变化，且所述侧向部分在一模具内尺寸变化的方向与所述侧向部分在另一模具内尺寸变化的方向相反。

7.一种制造粉末金属锻件的方法，所述方法包括如下步骤：

提供城堡形的模具组，所述模具组包括第一模具，所述第一模具沿纵向方向与第二模具可匹配，所述模具组具有至少一个侧向变化的内部纵向结构，所述内部纵向结构沿所述纵向方向从所述第一模具延伸到所述第二模具，所述第一模具和所述第二模具中的每个包括城堡形分型交界面，所述分型交界面将每个所述侧向变化的内部纵向结构分割成为所述第一模具内的第一构件和所述第二模具内的第二构件；

将预成形件插入到所述第一模具内；

使所述第一模具接触抵靠所述第二模具来关闭所述模具组；以及

压缩冲头抵靠所述预成形件，所述压缩步骤在所述关闭步骤之后，并将所述预成形件转变为所述粉末金属锻件。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，

还包括从所述第二模具释放所述第一模具的步骤。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

还包括从所述模具组中脱出所述粉末金属锻件的步骤。

10.一种由权利要求1所述的模具组形成的粉末金属锻件，包括：

第一端；

第二端，所述第二端与所述第一端相反；

外部轮廓，所述外部轮廓连接所述第一端和所述第二端，并具有至少一个外纵向结构，所述外轮廓包括城堡形分型线，所述分型线将至少一个所述外纵向结构分割为第一部分和第二部分，所述第一部分从所述城堡形分型线朝向所述第一端延伸，所述第二部分从所述城堡形分型线朝向所述第二端延伸。

11.如权利要求10所述的粉末金属锻件，其特征在于，

每个所述第一部分包括从所述城堡形分型线到所述第一端不减小的第一侧向尺寸，所述第二部分包括从所述城堡形分型线到所述第二端不减小的第二侧向尺寸。

12.如权利要求10所述的粉末金属锻件，其特征在于，

所述城堡形分型交界面近似地呈方波形式。

13.如权利要求10所述的粉末金属锻件，其特征在于，

所述粉末金属锻件是沿着所述城堡形分型线具有最少溢料的等速万向节的内座圈。

14.一种由权利要求1所述的模具组形成的粉末金属锻件，包括：

第一端；

第二端，所述第二端与所述第一端相反；以及

外轮廓，所述外轮廓连接所述第一端和所述第二端，并包括多个纵向突出和多个纵向凹陷，每个所述多个纵向突出由所述多个纵向凹陷中的对应凹陷与所述多个纵向突出中的另一个分型，所述外轮廓包括城堡形分型线，所述分型线将所述多个纵向突出和所述多个纵向凹陷分割。

15.如权利要求14所述的粉末金属锻件，其特征在于，

还包括内轮廓，所述内轮廓连接所述第一端和所述第二端，并具有多个纵向花键。

16.如权利要求15所述的粉末金属锻件，其特征在于，

所述分型线一侧上所述凹陷中的至少一个沿一个纵向方向在侧向尺寸内收缩，所述分型线另一侧上所述凹陷中的至少一个沿所述一个纵向方向在侧向尺寸内膨胀。

17.如权利要求14所述的粉末金属锻件，其特征在于，

所述城堡形分型交界面近似地呈方波的形式。

18.如权利要求14所述的粉末金属锻件，其特征在于，

所述粉末金属锻件是沿着所述城堡形分型线具有最少溢料的等速万向节的内座圈。

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