CN101809289A - 精密粉末金属部件、组件和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种精密粉末金属部件，该粉末金属部件具有本体，本体具有两个相反的表面，所述表面中的至少一个表面具有至少一个突部，所述突部的横截面积小于部件本体的主要部分的横截面积。从突部自由端到部件相反端的距离限定部件的一个必须相当精确的尺寸，在一个实施例中，滑动抵靠在组件的另一部件上并形成密封从而阻止液体流动。在该制造方法中，粉末金属部件通过紧实而形成在端部包括突部的本体，进行烧结，然后通过对突部的自由端进行精压来减小突部端部和部件相反端部之间的尺寸，从而将该尺寸减小到标称规定尺寸的公差内。

Description

精密粉末金属部件、组件和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年9月7日提交的美国临时专利申请第60/967,870号的权益，该申请的内容以参见的方式纳入本文。
关于联邦资助研究或开发的声明
无
技术领域
本发明涉及必须制成精确尺寸的烧结粉末金属部件。
背景技术
烧结粉末金属部件在本领域是众所周知的。制造烧结粉末金属部件的一个优点是：它可成形为接近净形状。通常，由于制造过程的易变性，假如粉末金属部件必须具有精确的尺寸，则必须通过机加工过程去除材料来获得所需的精度。这些过程导致时间成本和加工成本的增加，并且除了获得精确尺寸之外，并不一定能改进部件的材料性质。本发明针对在一些类型的烧结粉末金属部件中的这些问题。
发明内容
本发明提供一种精密粉末金属部件、组件和方法，其中，该粉末金属部件具有本体，本体具有两个相反的表面，所述表面中的至少一个表面具有至少一个突部，所述突部的横截面积小于部件本体的主要部分的横截面积。部件从突部的自由端到相反端的距离限定所述部件的一个必须精确的尺寸。粉末金属部件通过紧实而形成在端部包括突部的本体，进行烧结，然后通过对突部的自由端进行精压来减小突部端部和部件相反端部之间的尺寸，从而将该尺寸减小到标称规定尺寸的公差内。
本发明可有利地应用于泵齿轮，例如内齿轮泵齿轮。
本发明的前述和其它目的和优点将在下面的详细描述中变得清楚起来。在该描述中，参照了示出本发明较佳实施例的附图。
附图说明
这里参照附图，在附图中：
图1a是带有待精压突部的烧结粉末金属内齿轮泵齿轮的立体图；
图1b是图1a的带有待精压突部的烧结粉末金属内齿轮泵齿轮的立体图；
图2a是带有已精压突部的已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮的立体图；
图2b是图2a的带有已精压突部的已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮的立体图；
图3是精压装置的剖视立体图；
图4是图3的精压装置的剖视立体图；
图5是图3的精压装置的剖视立体图；
图6a是图3的精压装置的剖视立体图，示出了正在弄平待精压突部；
图6b是图6a的区域6b-6b的详图，示出了正在弄平待精压突部；
图7a是带有待精压突部的烧结粉末金属轴衬部件的立体图；
图7b是图7a的带有待精压突部的烧结粉末金属轴衬部件的剖视图；
图7c是带有已精压突部的已精压烧结粉末金属轴衬部件的立体图；
图7d是图7c的带有已精压突部的已精压烧结粉末金属轴衬部件的剖视图；
图8a是带有待精压突部的烧结粉末金属间隔部件的立体图；
图8b是图8a的带有待精压突部的烧结粉末金属轴衬部件的剖视图；
图8c是带有已精压突部的已精压烧结粉末金属间隔部件的立体图；
图8d是图8c的带有已精压突部的已精压烧结粉末金属轴衬部件的剖视图；
图9是在已精压表面附近、已精压PM材料的显微照片；以及
图10是内齿轮泵的图，其中部分去除了泵壳的盖子以示出转动抵靠在盖子上的内齿轮泵齿轮的端面。
具体实施方式
本发明涉及需要较窄范围的尺寸公差的粉末金属部件。在下面的段落中描述了若干类型的示例部件。需要精确尺寸公差的部件的一个应用场合是内齿轮泵。在这个应用场合中，因为在内齿轮泵齿轮端部抵靠泵壳的滑动界面处，齿轮端部密封抵靠在泵壳的表面上，如图10所示，所以内齿轮泵齿轮具有较窄的厚度公差以确保泵的足够密封。图1至6针对该示例应用场合。参见图1，烧结粉末金属内齿轮泵齿轮10包括相反的两个表面12、齿面14、相反表面12与内腔16之间的斜面18、以及待精压突部20。待精压突部20的形状较佳地在横截面上是渐缩的，例如半圆形，从而朝向自由端减小表面积。突部的自由端是弄平的，且滑动抵靠在相邻的泵壳表面上以产生滑动密封。或者，待精压突部20的形状可以是三角形、梯形、或者任何其它横截面形状，该形状从与齿轮本体形成一体的突部的根部或基部向自由端21渐缩。
待精压突部20通常沿着相反表面12的周界定位并轴向延伸。较佳的是，待精压突部20位于相反表面12的位置上以确保足够密封抵靠在诸如泵壳之类的匹配部件的相邻表面上，突部的自由端滑动抵靠在该相邻表面上。例如，待精压突部20可沿着齿轮齿的边缘定位成与齿轮齿的根圆直径相邻的一圆形、以及齿轮齿根圆径向内侧间隔开的另一圆形，该另一圆形与通过齿轮10引入轴向内腔16的斜面18相邻。
内齿轮泵齿轮尺寸，即内腔直径、齿数、径节、齿压角、齿轮厚度和齿形等，可以根据烧结粉末金属内齿轮泵齿轮10所应用的场合合适地确定。
参见图2，已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮110包括带有已精压突部120的以上特征，该已精压突部120由待精压突部20形成。已精压突部120包括如图6所示的已精压自由端121。包含已精压自由端121导致相对于标称规定尺寸的高精密总厚度。对于标称规定尺寸来说，已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮110可满足小于50微米的公差。应该理解，总厚度指的是已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮110的相反两个表面12上的已精压自由端121之间的距离。或者，假如只在单个相反表面12上包括已精压突部120，则总厚度指的是已精压自由端121和该相反表面12之间的距离。
已精压突部120具有如图6所示的梯形形状。由于待精压突部20的原始半圆形形状，已精压突部120的与相反表面121相邻的那侧是弧形的。已精压突部120在其自由端处具有与原始粉末金属材料相比约95％的相对密度。有利的是，已精压突部120与未精压PM部件相比具有改进的强度性质，并且孔隙率较小以提供改进的密封特性。另一益处是，在泵齿轮和泵壳之间有较小的表面接触面积。有利的是，在已精压突部120之间或由已精压突部120包围的凹穴或凹陷形成用于容纳流体的储藏部，该流体在液压流体的情况下是润滑剂，从而导致改进的性质、效率和耐用性。
对于诸如液压泵之类的子组件来说，齿轮需要非常严格的总厚度控制，从而确保对于泵正常工作的足够密封表面(最小的泄漏或压力损失)。这些泵所需的厚度公差小于50微米，通常小于30微米。假如不追加二次机加工操作，目前的制造方法就无法满足这些公差水平。本发明的肋可在粉末金属冲压(顶部和/或底部)中沿着零件端部上的外形、周界或其它表面来形成。这个特征提供了由冲压形成的、突出零件表面的突起区域，该突起区域在精压操作过程中接着可塑性变形以达到非常紧密的总厚度公差。在内齿轮泵齿轮的情况下，该变形区域为泵组件提供密封表面。在应力场施加在肋端部的多孔材料上时，精压操作致使孔隙变平，从而导致突起区域的厚度或高度减小，如图9的显微照片所示。随着增加厚度的减小，在达到完全密度的约95％之后，材料的抗压强度迅速增大。塑性变形变成主要压实机制，从而限制孔隙并进一步关闭孔隙。
用于形成已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮110的过程如下：产生粉末金属混合物，该粉末金属混合物可包括铁、钢、铝、青铜、黄铜、或者本领域内已知用来制造传统PM内齿轮泵齿轮或其它零件(假如本发明应用到不同零件的话)的任何混合物。将粉末金属混合物放置在成形模具中，并用上方和/或下方的冲头来压实模具中的该粉末金属混合物。成形模具具有粉末金属零件上齿面14的负形。冲头具有零件的包括待精压突部20在内的相反表面12的负形。这些装置在本领域内是众所周知的，并且可由液压装置或机械装置来驱动。接着，对压实的粉末金属内齿轮泵齿轮进行烧结。可基于所选定的粉末金属混合物来选择烧结的时间、温度和环境。这些组合在本领域内是众所周知的。烧结导致烧结粉末金属内齿轮泵齿轮10的接近净形状。通常在冷却之后，在如图3所示的精压装置22中对烧结粉末金属内齿轮泵齿轮10进行精压。精压装置22包括加工部件24(其可以是硬质合金)、液压致动器或压力部件26、夹具27、前档块28、以及内径支承件30。加工部件24可包括可动的上部加工部件32和下部加工部件34。加工部件24还包括精压表面36，该精压表面36接触待精压突部20并使待精压突部20变形。上部加工部件32包括凸缘38，该凸缘38接触前档块28。前档块28中止上部加工部件32的移动，因此确定已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮110的总厚度。
也可采用其它精压装置的实施例。例如，机械加压可代替液压加压。还有，内腔16可包括形成内花键的待精压突部20。这些突部可在精压操作中通过内径支承件30来变形。此外，还可修改烧结过程。例如，已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮110可经受渗透过程以进一步改进部件的强度特性。这些对于烧结过程的修改在本领域内是众所周知的。在任何情况下，该过程都会产生带有已精压突部120和已精压自由端121的已精压烧结粉末金属内齿轮泵齿轮110。
精压过程比起机加工操作更加迅速，且成本更加低廉。此外，可以使用在精压操作过程中会塑性变形的各种粉末金属材料，诸如铁、钢、铝、青铜和黄铜。
该过程还可用来制造其它类型的、具有较窄范围尺寸公差的部件。例如，图7a示出了带有待精压突部220的烧结粉末金属轴衬部件210。精压该部件产生了带有已精压突部320的已精压烧结粉末金属轴衬部件310，如图7c所示。此外，图8a示出了带有待精压突部420的烧结粉末金属间隔部件410。精压该部件产生了带有已精压突部520的已精压烧结粉末金属间隔部件510。此外，本发明也可有利地应用于其它类型的泵或其它机器，它们具有齿轮、齿轮状部件、或者其它端部滑动或转动抵靠在一表面上并必须密封抵靠在该表面上的部件，例如P型泵或有环泵。
现已相当详细地描述了本发明的较佳实施例。对于本领域的普通技术人员来说，对所描述的较佳实施例的许多修改和变化将是显而易见的。因此，本发明应不局限于所述的实施例，而是应由下面的权利要求书来限定。

Claims (25)

1.一种烧结粉末金属部件，包括：
本体，所述本体具有两个相反的表面，所述表面中的至少一个表面成形有突部，所述突部朝向所述突部的自由端渐缩；
其中，所述突部的所述自由端发生塑性变形，并且所述自由端的孔隙率小于所述至少一个表面中的未塑性变形的表面的孔隙率，从而将从所述自由端到另一相反表面的尺寸减小到标称规定尺寸的公差范围内。
2.如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，两个相反的表面都具有至少一个朝向所述部件的自由端渐缩的突部，两个自由端都发生塑性变形，并且所述自由端的孔隙率小于相邻表面中的未塑性变形的表面的孔隙率，从而将两个所述自由端之间的尺寸减小到标称规定尺寸的公差范围内。
3.如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部具有与所述自由端相邻的弧形侧边。
4.如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述自由端是平的。
5.如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件是用于液压泵的齿轮。
6.如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件是用于液压泵的内齿轮泵齿轮。
7.如权利要求1所述的粉末金属部件，其特征在于，所述部件是用于液压泵的内齿轮泵齿轮，所述突部形成在所述齿轮的至少一个端面上。
8.如权利要求7所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部形成在所述齿轮的两个端面上。
9.如权利要求7所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部包括围绕所述齿轮的齿的周界而延伸的突部。
10.如权利要求7所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部包括围绕所述端面在所述齿轮的齿轮齿的基部处的一部分而延伸的突部。
11.如权利要求7所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部包括围绕穿过所述齿轮的孔而延伸的突部。
12.如权利要求7所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部包括围绕所述齿轮的齿的周界、围绕所述端面在齿基部处的一部分、以及围绕穿过所述齿轮的孔而延伸的突部。
13.如权利要求7所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部在所述端面上形成液体储藏部。
14.一种内齿轮泵，具有至少一个如权利要求1所述的部件，所述部件是内齿轮泵齿轮。
15.一种包括至少两个部件的组件，在所述两个部件之间具有界面，其中，所述部件中的至少一个部件是烧结粉末金属部件，一个部件具有抵靠另一部件的界面表面，改进之处在于，在所述一个部件的突部的自由端，所述界面表面至少部分地由所述一个部件上的自由端表面来限定，所述自由端表面发生塑性变形，并且所述自由端表面的孔隙率小于所述一个部件的未塑性变形的相邻表面的孔隙率。
16.如权利要求15所述的组件，其特征在于，所述界面是滑动界面，所述自由端表面滑动抵靠在所述另一部件上。
17.如权利要求15所述的组件，其特征在于，所述界面形成阻止液体流动的密封。
18.如权利要求15所述的组件，其特征在于，所述自由端表面围绕所述一个部件的端部的周界而延伸。
19.如权利要求15所述的组件，其特征在于，所述一个部件是泵齿轮，所述另一部件是泵壳。
20.如权利要求15所述的粉末金属部件，其特征在于，所述一个部件在所述一个部件的、与所述一个部件上的所述自由端表面相反的端部处具有相反自由端表面，所述相反自由端表面位于所述一个部件的相反突部的自由端处，所述相反自由端表面发生塑性变形，并且所述相反自由端表面的孔隙率小于所述一个部件的与所述相反自由端表面相邻且未塑性变形的相邻表面的孔隙率。
22.如权利要求15所述的粉末金属部件，其特征在于，所述突部的至少一部分具有相对于所述部件的其它部分的较高密度。
23.一种生产粉末金属部件的方法，所述方法包括：
将粉末金属混合物压成紧实件；
在所述紧实件上成形两个相反的表面，其中，所述表面中的至少一个表面包括朝向自由端渐缩的突部，并且成形为使从所述自由端到相反表面的距离大于所述距离的标称规定尺寸；
对所述紧实件进行烧结；以及
对所述突部的所述自由端进行精压，从而将所述距离减小到所述标称规定尺寸的公差内。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述粉末金属部件的两个相反表面都具有至少一个朝向自由端渐缩的突部。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，所述突部具有与所述自由端相邻的弧形侧边。
26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，所述自由端是平的。
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