CN101711191A - 粉末金属锻件及加工方法和设备 - Google Patents

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Abstract

一种形成粉末金属锻件的方法，包括以下步骤：形成预成形件，该预成形件包括烧结的粉末金属合成物；将预成形件插入具有底模和顶模的模组中，该模组在其内部限定出锻造构型，模组处在闭合位置，其中，顶模接触底模；以及用上冲头和下冲头将预成形件压缩在锻造构型中，该压缩步骤形成成形零件。闭合的模组最小化或消除了成形零件中特别是在轮廓表面中的飞边，这允许通过在锻造操作后直接进行淬火而使锻件淬透，而不需要从这些表面去除硬化的飞边。

Description

粉末金属锻件及加工方法和设备
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年2月12日提交的美国临时专利申请No.60/900,893的优先权，该专利申请通过参引方式并入本申请。关于联邦资助研究的声明
不适用
技术领域
本发明涉及粉末金属锻件，而且更具体地涉及飞边最小或无飞边/精确飞边的粉末金属锻件。
背景技术
在诸如等速万向节(CVJ)的内座圈的粉末金属锻件的制造中，有时候期望从锻压过程直接提供经过硬化的零件。这就需要从锻造工具中退出零件后直接对零件进行淬火。在锻造这种零件的过程中，上模沿向下的方向移动到下模以使坯料变形，从而形成零件。这导致在上模和下模接合处在零件的侧面形成飞边，对于CVJ的内座圈而言，该飞边位于轴承座圈的范围中。如果直接将零件进行淬火，则加工飞边会呈硬化状态。虽然有可能进行作为将飞边从零件上剪下的方法的硬切边，但是因为飞边的硬度可能超过现有的切边工具的硬度，对操作者造成潜在的危险状况，并且还可能对产品的质量产生不良影响，所以这是不实用的。即，在切边过程中零件可能破裂并飞出工具的限制。此外，轴承座圈是精密表面而且极其复杂，所以它们通常不太适合被修剪。
利用传统的冷锻工艺通过使用组合模(6个组合模模块)来形成CVJ内座圈的锻造CVJ内座圈的方法是已知的。然而，这种工艺需要用于拉削花键的机器，并且渗碳过程相对较长。此外，在零件上有对应于六个组合模模块的六条竖直的证示线。这种方法的其它缺点在于该方法是一种相当复杂而昂贵的加工设置，而且模具寿命相对较短。
本领域需要这样的粉末金属锻件和制造方法及设备：即，生产特别是在精密表面上飞边最小或者无飞边的零件，而且能够与将零件从锻造工具中退出后直接淬火的方式兼容。
发明内容
本发明公开了一种粉末金属锻件及制造方法和制造设备，所述制造设备包括闭合模组，而且还公开了粉末金属预成形件，其中，在闭合模组中锻造该预成形件以生产飞边最小或无飞边/精确飞边的粉末金属锻件。
本发明在其一种形式中包括一种形成粉末金属锻件的方法，该方法包括以下步骤：形成预成形件，所述预成形件包括烧结的粉末金属合成物；将所述预成形件插入具有底模和顶模的模组中，所述模组在其内部限定出锻造构型，所述模组处在闭合位置，其中，所述顶模接触所述底模；以及用上冲头和下冲头将所述预成形件压缩在所述锻造构型中，所述压缩步骤形成成形零件。
本发明在其另一种形式中包括用于粉末金属锻件的预成形件，所述预成形件包括第一端；与所述第一端相反的第二端；连接所述第一端和所述第二端的外轮廓，以及连接所述第一端和所述第二端的内轮廓。所述外轮廓包括多个纵向突起和多个纵向凹部，所述多个纵向突起中的每一个都通过所述多个纵向凹部中相应的一个与所述多个纵向突起中的另一个分开。所述内轮廓具有纵向键槽和多个纵向花键。所述预成形件包括烧结的粉末金属的合成物，所述合成物具有由所述第一端、所述第二端、所述外轮廓以及所述内轮廓所限定的构型。
本发明在其再一种形式中包括在锻造过程中由烧结的粉末金属预成形件制成的无飞边粉末金属锻件，所述无飞边粉末金属锻件包括第一端、与所述第一端相反的第二端、连接所述第一端和所述第二端的内轮廓以及连接所述第一端和所述第二端的外轮廓。所述内轮廓具有多个纵向花键。所述外轮廓包括多个曲线形纵向突起和多个曲线形纵向凹部。所述多个曲线形纵向突起中的每一个都通过所述多个曲线形纵向凹部中相应的一个与所述多个曲线形纵向突起中的另一个分开。所述外轮廓没有由锻造过程所形成的飞边。
本发明的优点在于，其能够用于生产飞边最小或无飞边/精确飞边的粉末金属锻件。
本发明的另一个优点在于，预成形件形成为使得在锻造操作中该预成形件没有弯曲；具体地，在预成形件的内径上具有的纵向花键。
本发明的再一个优点在于，其提供飞边最小或无飞边/精确飞边的粉末金属锻件。
本发明的再一个优点在于，在锻造操作过程中没有材料重叠或材料折叠。
本发明的再一个优点在于，其能够在锻造过程后立即例如通过油浸来直接淬火。
本发明的再一个优点在于，其提供了制造等速万向节的内座圈的经济有效的方式。
本发明的再一个优点在于，其能够与密度相对较高的预成形件一起使用。
本发明的再一个优点在于，其能够用于制造复杂的无飞边零件，这消除或最小化了材料浪费。
本发明的再一个优点在于，其使得零件与工具相接触的时间最小化，从而在产品的寿命周期中减少模具成本。
本发明的再一个优点在于，其提供了制造粉末金属锻件的经济有效的方式。
本发明的上述和其它特征及优点将显现在以下的详细描述中。在描述中，参考了示出本发明的优选实施方式的附图。
附图说明
图1是根据本发明的粉末金属锻件的制造方法和设备的实施方式的局部分解剖视图；
图2是图1的方法和设备的局部剖视图，示出了模组中的预成形件和刚接触该预成形件的上冲头；
图3是图1的方法和设备的局部剖视图，示出了正在被锻造的预成形件；
图4是图1的方法和设备的局部剖视图，示出了在锻造操作后从模具撤离的上压头和冲头；
图5是图1的方法和设备的局部剖视图，示出了正在从下模松开的上模，以及正在将锻件从下模退出的下冲头和顶销；
图6是根据本发明的预成形件的实施方式的立体图；
图7是根据本发明的锻件的实施方式的立体图。
具体实施方式
现在参见附图，特别是图1、图6和图7，它们示出了形成粉末金属锻件10的方法和设备，所述设备可以包括压头或锤12、上冲头14、预成形件16、构成模组21的上模18和下模20、下冲头22以及顶销(snag pin)24。
特别参见图6，预成形件16包括已经压实并随后烧结的粉末金属合成物。该粉末金属的合成物包括大约在0.40％至2.00％之间的镍、大约在0.50％至0.65％之间的钼、大约在0.10％至0.35％之间的锰、大约在0.12％至0.80％之间的碳，以及平衡铁。预成形件16是非圆柱体的预成形件，其包括第一端26、与第一端相反的第二端28以及连接第一端26和第二端28的外轮廓30。外轮廓30包括多个纵向突起32以及多个纵向凹部34。纵向突起32中的每一个均通过相应的纵向凹部34而与另一个突起32分开。内轮廓36连接第一端26和第二端28，内轮廓38具有纵向键槽38及多个纵向花键40。键槽38协助预成形件16在模组21中的正确定向，而纵向花键40特别是在锻造过程中为预成形件提供强度，这能防止预成形件在锻造过程中弯曲。虽然流动性通常随材料密度升高而降低，但是因为相对较高的密度在锻造零件中产生较好的特性，所以具有相对较高的密度对于预成形件而言是有利的。由于纵向花键40增加了这种额外强度，所以预成形件16可以有利地具有大约在6.85克/立方厘米至7.4克/立方厘米之间的密度，而且更特别地，具有大约在6.85克/立方厘米至7.0克/立方厘米之间的范围内的密度。突起32和凹部34从第一端26延伸至第二端28。
如图2所示，预成形件16插入模组21中，模组21具有底模20和顶模18，当模组21处于闭合位置时，顶模18接触底模20，在模组内限定了锻造构型42。可以使用夹具等(未示出)将模组21保持为闭合，而且另外，气缸43能够有助于保持上模18和下模20紧密接触，使得在上模18与下模20之间的分界区域内不会在零件10上形成飞边。用上冲头14和下冲头22将预成形件16压缩在锻造构型42中(见图3)，形成诸如锻件10的成形零件。如图4所示，根据本发明的方法还可以包括这样的步骤：将顶模18从底模20上升起从而在顶模18与底模20之间产生间隙44。然后用下冲头22和顶销24使成形零件10从底模20中脱离(见图5)并进入间隙44中。根据本发明的方法可以进一步包括从模组21中退出成形零件10的步骤。另外，可以用大约在400°F至600°F之间的，而且更具体为500°F的加热流体(未示出)来加热底模20和顶模18中的至少一个。
所获得的无飞边粉末金属锻件10是在根据本发明的锻造过程中由烧结的粉末金属预成形件16制成，并且可以呈如图7所特别示出的等速万向节的内座圈的形式。锻件10可以包括第一端46、与第一端46相反的第二端48以及连接第一端46和第二端48的内轮廓50。内轮廓50包括多个纵向花键52。外轮廓54连接第一端46和第二端48。外轮廓具有多个曲线形的纵向突起56，各个突起均通过多个曲线形纵向凹部58中的一个分开。外轮廓54不存在由锻造过程所形成的飞边。在示出的实施方式中，突起56和凹部58构成作为精密表面的CVJ的内座圈的轴承座圈。由于根据本发明的制造方法，其中外轮廓54没有飞边，所以轴承座圈相应地没有飞边，从而允许在锻造后直接对零件10进行淬火。
已经相当详细地描述了本发明的优选实施方式。对于本领域普通技术人员而言，对所描述的优选实施方式的许多改型和变型都是显而易见的。因此，本发明并不限于所描述的实施方式。相应地，所附权利要求的范围不应限于此处所包含的对实施方式的描述。

Claims (20)

1.一种形成粉末金属锻件的方法，所述方法包括：
形成预成形件，所述预成形件包括烧结的粉末金属合成物；
将所述预成形件插入具有底模和顶模的模组中，所述模组在其内部限定出锻造构型，所述模组处在闭合位置，其中，所述顶模接触所述底模；以及
用上冲头和下冲头将所述预成形件压缩在所述锻造构型中，所述压缩步骤形成成形零件。
2.如权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤：即，将所述顶模从所述底模升起，从而在所述顶模与所述底模之间产生间隙。
3.如权利要求2所述的方法，进一步包括以下步骤：即，使用所述下冲头使所述成形零件从所述底模脱离并进入所述间隙中。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述下冲头包括插入所述成形零件的内部特征中的顶销。
5.如权利要求3所述的方法，进一步包括将所述成形零件从所述模组中退出的步骤。
6.如权利要求5所述的方法，所述压缩步骤进一步包括加热所述顶模和所述底模中的至少一个，且所述方法进一步包括以下步骤：即，在所述退出步骤之后立即对所述成形零件进行淬火。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述预成形件是非圆柱形预成形件。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述非圆柱形预成形件包括：第一端；与所述第一端相反的第二端；连接所述第一端和所述第二端的外轮廓，所述外轮廓包括多个纵向突起和多个纵向凹部，所述多个纵向突起中的每一个都通过所述多个纵向凹部中相应的一个与所述多个纵向突起中的另一个分开；以及连接所述第一端和所述第二端的内轮廓，所述内轮廓具有纵向键槽和多个纵向花键。
9.如权利要求7所述的方法，进一步包括以下步骤：即，使用大约在400°F至600°F之间的加热流体来加热所述底模和所述顶模中的至少一个。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述预成形件的密度在大约6.85克/立方厘米至7.4克/立方厘米之间的范围内。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述预成形件的密度在大约6.85克/立方厘米至7.0克/立方厘米之间的范围内。
12.如权利要求1所述的方法，所述压缩步骤进一步包括使用气缸向所述模组施加压力以保持所述顶模与所述底模之间的紧密接触。
13.用于粉末金属锻件的预成形件，所述预成形件包括：
第一端；
与所述第一端相反的第二端；
连接所述第一端和所述第二端的外轮廓，所述外轮廓包括多个纵向突起和多个纵向凹部，所述多个纵向突起中的每一个都通过所述多个纵向凹部中相应的一个与所述多个纵向突起中的另一个分开；
连接所述第一端和所述第二端的内轮廓，所述内轮廓具有纵向键槽和多个纵向花键；以及
烧结的粉末金属的合成物，所述合成物包括由所述第一端、所述第二端、所述外轮廓以及所述内轮廓所限定的构型。
14.如权利要求13所述的预成形件，其中，所述粉末金属的合成物包括大约在0.40％至2.00％之间的镍、大约在0.50％至0.65％之间的钼、大约在0.10％至0.35％之间的锰、大约在0.12％至0.80％之间的碳、以及铁。
15.如权利要求13所述的预成形件，其中，所述多个纵向突起和所述多个纵向凹部从所述第一端延伸至所述第二端。
16.如权利要求13所述的预成形件，其中，所述预成形件的密度在大约6.85克/立方厘米至7.4克/立方厘米之间的范围内。
17.如权利要求16所述预成形件，其中，所述预成形件的密度在大约6.85克/立方厘米至7.0克/立方厘米之间的范围内。
18.一种在锻造过程中由烧结的粉末金属预成形件制成的无飞边粉末金属锻件，包括：
第一端；
与所述第一端相反的第二端；
连接所述第一端和所述第二端的内轮廓，所述内轮廓具有多个纵向花键；以及
连接所述第一端和所述第二端的外轮廓，所述外轮廓包括多个曲线形纵向突起和多个曲线形纵向凹部，所述多个曲线形纵向突起中的每一个都通过所述多个曲线形纵向凹部中相应的一个与所述多个曲线形纵向突起中的另一个分开，所述外轮廓没有由所述锻造过程形成的飞边。
19.如权利要求18所述的无飞边粉末金属锻件，其中，所述烧结的粉末金属预成形件包括大约在0.40％至2.00％之间的镍、大约在0.50％至0.65％之间的钼、大约在0.10％至0.35％之间的锰、大约在0.12％至0.80％之间的碳、以及铁。
20.如权利要求18所述的无飞边粉末金属锻件，其中，所述无飞边粉末金属锻件是等速万向节的内座圈。
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