CN104625068A - 粉末金属锻件以及制造的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种形成粉末金属锻件的方法，该方法包括以下步骤：提供包括烧结的粉末金属复合物的预成型坯；将所述预成型坯插入具有上模具和下模具的模具组的至少一个部件中，上模具和下模具的至少一个在其中限定螺旋形锻型；闭合模具组，其中上模具接触下模具；并且使用包括芯棒的上冲头以及下冲头在锻型中压缩预成型坯，压缩步骤在闭合步骤之后进行，且压缩步骤导致具有螺旋形外表面的成形部件。本发明的方法和设备在形成粉末金属锻件的螺旋形外表面和例如圆柱形内径的内轮廓时是尤其有利的。

Description

粉末金属锻件以及制造的方法和设备
本申请是申请号为200880011412.8(PCT//US2008/058980)，申请日为2008年04月1日，发明名称为“粉末金属锻件以及制造的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉参考
本申请要求2007年4月4日提交的美国临时专利申请No.60/910,027的优先权。
关于联邦政府资助研究的声明
不适用。
技术领域
本发明涉及粉末金属锻件及其制造，更具体地，涉及具有螺旋形的外轮廓或外形以及内轮廓的粉末金属锻件。
背景技术
在例如斜齿轮或等速万向节(CVJ)内环的近终形部件的制造中，一种制造方法为提供近终形部件的精密锻造工艺，其需要在锻造工艺之前进行加工的精确坯。此外，在会具有内径的精密锻造齿轮或CVJ内环或其他部件的情况下，必须刺穿出内径，这增加材料的浪费和成本。
利用螺旋轮廓表面以单冲程生产锻造金属制品的方法和设备是已知的。该设备使用可伸缩地容纳在冲头外壳中的具有大致光滑表面的上冲头和相对于模具组件轴线自由旋转安装的具有大致光滑表面的下冲头。然而，这种工艺提供了锻造不具有内径的小齿轮的简单加工装置。此外，由于单冲程同时闭合模具并以冲头压缩预成型坯，所以在部件会形成有很多飞边。
在粉末金属锻造过程中，具有趋于将上模具从下模具分开并使得可在部件上形成肩部而不是薄飞边接缝线的相当大的向上力。在齿轮制造的情况下，这种工具件的不希望的运动导致齿的低密度和未填模的齿形。需要更多的材料和吨位填入部件的齿中，但也导致成形的肩部(飞边)变得更大。因为在锻造工艺中没有安排要在其中形成内径，所以作为与内径一起的二次加工需要加工掉额外的材料。这样的结果就是浪费的材料以及额外的加工，其增加了成本。这种老方法还使用非常脆弱的上部工具，其中在一些齿轮构造中外部冲头可能容易开裂。
本领域需要一种粉末金属锻件和制造的方法和设置，以及由其制造的粉末金属锻件，其产生具有螺旋形的外轮廓以及内轮廓的粉末金属锻件。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种形成粉末金属锻件的方法。在该方法中将包括烧结的粉末金属复合物的预成型坯插入具有上模具和下模具的模具组的至少一个部件中。上模具和下模具中的至少一个在其内限定螺旋形锻型(forgeform)。闭合模具组使得上模具接触下模具。此后使用上冲头和下冲头在锻型中压缩预成型坯，产生具有螺旋形外表面的成形部件。方法可包括形成成形部件的内轮廓，其中内轮廓为大致圆柱形内径。
上冲头可包括在上冲头的下部区域的芯棒，使得内轮廓使用芯棒来形成。可选地，下冲头可包括当形成粉末金属锻件时插入预成型坯中的下部芯棒。该方法可包括将上模具从下模具升起，由此在上模具和下模具之间产生空隙，利用下冲头将成形部件从下模具脱模到空隙中。在一种方式中，在将成形部件从下模具脱模过程中旋转下冲头。该方法可包括从模具组取出成形部件。
预成型坯可为非圆柱形预成型坯。预成型坯可包括具有第一外径的第一端部和具有第二外径的第二端部，其中第一外径大于第二外径。预成型坯的第一端部和第二端部在预成型坯上可产生肩部，使得肩部在闭合模具组之后放置到上模具以下。预成型坯的第一端部在闭合模具组之后可放置在螺旋形锻型中。预成型坯可包括连接预成型坯的第一端部和第二端部的圆柱形内轮廓。预成型坯具有大约6.5g/cm3至8.0g/cm3范围内的密度。
该方法可包括在闭合模具组之后将夹紧力施加到上模具和下模具上。在该方法中，在锻型中压缩预成型坯导致预成型坯侧向流动。下冲头和成形部件可形成为互相匹配以提供它们之间的强制旋转配合从而有助于取出。优选地，下模具在其内限定螺旋形锻型。在一种形式中，预成型坯的内径和成形部件的内径是相同的。
在另一方面，本发明提供了一种形成具有外轮廓的粉末金属锻件的加工装置，外轮廓包括螺旋形形状。该加工装置可包括：上压头；缸体，其连接到上压头；上外部模具，其被缸体接触；以及下模具，其包括当上压头处于向下冲程时被上外部模具接触的上侧部。下冲头放置在下模具的开口中。下冲头包括中心腔。上冲头接触上压头并由上外部模具中的中心开口引导。上冲头包括在上冲头下部区域的芯棒，芯棒尺寸当形成粉末金属锻件时插入下冲头的中心腔中。
下模具在其内限定螺旋形锻型，该螺旋形锻型的外径可大于上外部模具中的中心开口内径。该螺旋形锻型的外径可大于下模具中的开口内径。加工装置可包括在将成形部件从下模具脱模过程中旋转下冲头的装置。下冲头和成形部件可形成为互相匹配以提供它们之间的强制旋转配合从而有助于取出成形部件。
在另一方面，本发明提供了一种形成具有外轮廓的粉末金属锻件的加工装置，该外轮廓包括螺旋形形状。该加工装置可包括：上压头；缸体，其连接到上压头；上外部模具，其被缸体接触；以及下模具，包括当上压头处于向下冲程时被上外部模具接触的上侧部。上冲头由上外部模具中的中心开口引导。上冲头包括中心腔。下冲头由下模具中的开口引导。下冲头包括在下冲头上部区域的芯棒，当形成粉末金属锻件时该芯棒可插入上冲头的中心腔中。上模具可在其内限定螺旋形锻型，该螺旋形锻型的外径可大于下模具中的开口内径。该螺旋形锻型的外径可大于上模具中的中心开口内径。
在另一方面，本发明提供了一种粉末金属锻件。锻件可包括：第一端；与第一端相对的第二端；连接第一端和第二端的内轮廓；以及连接第一端和第二端的外轮廓。外轮廓可包括多个突起。粉末金属锻件通过压缩包括烧结的粉末金属复合物的预成型坯来形成，并且多个突起中的每一个具有大致一致的密度。在一种形式中，多个突起中的每一个从第一端和第二端延伸。内轮廓可包括圆柱形内径。大致一致的密度在大约6.5g/cm3至8.0g/cm3范围内。多个突起可为螺旋形。多个突起可为斜齿轮的齿。第一端可具有环状凸起部，环状凸起部包括上表面和斜坡外表面。
本发明的优点在于其提供了一种粉末金属锻件和制造粉末金属锻件的方法和设备，以及由其制造的粉末金属锻件，其产生了具有螺旋形外形和内轮廓的粉末金属锻件。
本发明实施例的另一优点在于其可提供在齿中具有一致的材料密度的斜齿轮。
本发明实施例的另一优点在于其可提供一种制造设备和方法，以及由其产生的除了斜齿轮以外的器件，但是其在锻造工艺过程中需要材料完全或接近完全侧向流动。
本发明实施例的另一优点在于其可用于相对高密度的预成型坯。
本发明实施例的另一优点在于其提供了一种粉末锻造技术，该技术具有更大以限定坯应成什么样子从而增强材料流动的能力。
本发明实施例的其他优点在于其提供了一种粉末锻造工艺，其中内径被包括在坯中并被锻造成合适的尺寸而不损失材料。
本发明实施例的其他优点在于其提供了一种新方法，该方法允许更好地夹紧上和下工具件并且还允许形成圆形或波状的部件内径。
本发明实施例的其他优点在于其现在可在内径中锻造，增强了工具组以处理锻造粉末金属(PM)部件中更宽范围的齿形状，并且在锻造工艺过程中保持上和下工具闭合从而具有带有较小飞边线的非常一致的齿形状，这减小了材料和加工成本，并且为随后的加工操作产生了优质的坯。
本发明实施例的另一优点在于其提供了一种制造斜齿轮或例如等速万向节的其他部件的内环的成本经济的方法。
本发明实施例的另一优点在于其用于制造消除材料浪费或使其最少的复杂的无飞边部件。
附图说明
通过结合附图参考本发明的实施例的以下描述，本发明的上述和其他特征和优点以及实现它们的方式，将变得更加明显，且本发明将更好理解。
图1A-1D是一系列剖视示意图，示出了根据本发明的方法和设备以及粉末金属锻件的实施例；
图2是图1A-1D的模具组和下冲头的部分剖视立体图，尤其示出了其中的螺旋形锻型；
图3是图2的模具组和下冲头的部分剖视立体图，其中粉末金属预成型坯插入其中；
图4是图3的模具组、预成型坯、下冲头的部分剖视立体图，其中上冲头插入其中；
图5是根据本发明的具有包括螺旋形形状的外轮廓的粉末金属锻件的立体图；以及
图6是根据本发明的具有包括螺旋形形状的外轮廓的另一粉末金属锻件的立体图。
在所有附图中，相同的附图标记表示相同的部件。本文所举实例以一种形式示出本发明的示例性实施例，这种示范不解释为以任何方式限制本发明的范围。
具体实施方式
现在参照附图，尤其参照图1A-1D，示出了形成粉末金属锻件10的方法和设备，其可包括预成型坯A、上外部套管或模具B、缸体C、上压头D、在下部区域具有芯棒R的上冲头E、与上外部套管或模具B结合组成模具组的下模具F、下基座G、以及下冲头H。可选地，下冲头H可包括在其上部区域的下芯棒(未示出)。
一个示例性预成型坯A包括已经被压实并烧结过的粉末金属复合物。粉末金属的非受限示例性复合物包括大约0.40％-2.00％的镍、大约0.50％-0.65％的钼、大约0.10％-0.35％的锰、大约0.12％-0.80％的碳以及余量的铁。
在图1A中，预成型坯A装入模腔12中。预成型坯A和模腔12二者为相应的粉末金属锻件10特别设计。现在参照图1B，上压头D向下运动，并且上外部模具B接触下模具F并在锻造之前包围预成型坯A的一部分，从而闭合模腔的上外侧部分。上冲头E和芯棒R开始接触预成型坯A但此时不对预成型坯A产生作用。缸体C和下模具F之间的夹紧力在这点开始；但是这种夹紧力不限于所示装置，而是可包括其他元件。模具可由任何合适的装置保持在一起，包括所示的充氮的缸体、机械锁或不是必须由上压头D承载的其他装置。
现在参照图1C，上压头D继续向下由此压缩缸体C从而进一步加更多的夹紧压力到下模具F上以确保上外部套管B在锻造工艺期间总是保持与下模具F接触。上冲头E和芯棒R对预成型坯A进行压缩以形成完成的粉末金属锻件10。
为了取出粉末金属锻件10(见图1D)，上压头D释放并向上运动到顶部冲程位置，而上外部模具B保持与下模具F接触直到缸体C到达其冲程端部，在此之后进一步的向上运动产生了上外部模具B和下模具F之间的空隙14。这有助于使粉末金属锻件10脱模离开上冲头E和芯棒R。为了有助于取出粉末金属锻件10的外形上的螺旋形形状，下冲头H在取出粉末金属锻件10时旋转，以此来从下模具中“拧出”粉末金属锻件10。如果需要的话，冲头H的顶部和锻件10的底部可成形为互相匹配以提供它们之间的强制旋转配合从而有助于取出。由于上外部模具B和下模具F在上冲头和芯棒R对预成型坯A进行压缩之前接触，预成型坯A可具有大约6.5g/cm3至8.0g/cm3范围内的较高密度。
产生的粉末金属锻件10可包括第一端、与第一端相对的第二端、连接第一端和第二端的内轮廓、以及连接第一端和第二端的外轮廓，其中外轮廓包括螺旋形形状。
内轮廓包括例如圆柱形内径，或例如花键、键槽、内齿轮等其他形状。外轮廓可包括多个从第一端和第二端延伸的突起，其中每个突起具有大致一致的密度。大致一致的密度在大约6.5g/cm3至8.0g/cm3范围内。螺旋形形状可包括多个斜齿轮的齿、螺旋形凹槽或槽脊、或其他螺旋形形状。
图2是上外部模具B、下模具F和下冲头H的部分剖视立体图，尤其示出了模腔12的螺旋形锻型13。图3是类似于图2的部分立体图，但是附加地示出了其中的预成型坯A。图4是类似于图3的部分立体图，但是附加地示出了开始作用到预成型坯A上时的上冲头E和芯棒R。
参见图3，预成型坯A是非圆柱形预成型坯，其包括第一下端26、与第一下端26相对的第二上端28、以及连接第一端26和第二端28的外轮廓30。外轮廓30包括第一下部32，所述第一下部32具有比外轮廓30的第二上部34更大的外径。中间肩部35连接外轮廓30的下部32和上部34。内轮廓36也连接第一端26和第二端28，其中内轮廓36大致为圆柱形。有利的是预成型坯具有相对高的密度，这是因为这样在锻造部件中产生更好的性能，不过一般来说随着材料密度上升而可流动性下降。外轮廓30的更宽下部32为预成型坯A提供了额外的强度。
产生的粉末金属锻件10(具体见图5)在根据本发明的锻造工艺中由烧结的粉末金属预成型坯A制成，并且可没有飞边或具有最少的飞边，因为模具B和F在锻造工艺中保持接触。本发明可包括在粉末金属工业中已知的其他步骤和/或元件。
粉末金属锻件10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。外轮廓52具有多个纵向突起齿54，其中齿54的前缘与粉末金属锻件10的纵向轴线不平行。齿54从粉末金属锻件10的第一端48延伸到第二端50。内轮廓56也连接第一端48和第二端50，其中内轮廓56大致为圆柱形。第一端48具有环状凸起部58，所述环状凸起部58具有上表面59和斜坡外表面61。
尽管图1A-4所示方法和设备尤其适合于形成例如斜齿轮的粉末金属锻件10，这种新工艺还可用于除了所述斜齿轮以外的其他产品，并且可广泛地用于制造需要材料完全侧向流动的产品。例如，一些等速万向节相比于已知方法可从本发明中获益。图6示出了锻坯16，其包括第一端68、与第一端68相对的第二端70、以及连接第一端68和第二端70的外轮廓72。外轮廓72具有多个凹槽74，其中凹槽74与锻坯16的纵向轴线不平行。内轮廓76也连接第一端68和第二端70，其中内轮廓76具有花键78。在等速万向节完成部件的情况下，凹槽74可为了完成部件加工成直的，而不是螺旋形的，但是仍允许锻件由最少原料制成。
尽管本发明被描述为具有示例性设计，本发明可进一步在本公开的精神和范围内修改。因此本申请试图覆盖利用本发明一般原理的本发明的任何变体、应用或改变。此外，本申请试图覆盖本发明涉及且落入所附权利要求限定中的本领域已知或惯例的实践之内的这样的基于本公开进行的变更。
工业应用性
本发明涉及粉末金属锻件及其制造，更具体地，涉及具有螺旋形的外轮廓或外形以及内轮廓的粉末金属锻件。

Claims (21)

1.一种形成粉末金属锻件的方法，所述方法包括：
将所述预成型坯插入具有上模具和下模具的模具组的至少一个部件中，下冲头接纳在所述下模具内，所述预成型坯具有烧结的粉末金属复合物并且包括上部、下部和连接所述上部和所述下部的中间肩部；
闭合所述模具组使得所述上模具接触所述下模具，从而在所述上模具和所述下模具之间限定接缝线；并且
使用上冲头在所述模具组中压缩所述预成型坯，所述上冲头在所述上冲头的下部区域具有芯棒，由此使所述粉末金属锻件具有内轮廓。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预成型坯包括连接所述上部和所述下部的内轮廓。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预成型坯的所述下部与所述预成型坯的所述上部相比具有更大的外径。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述模具组闭合之后，所述预成型坯的所述中间肩部定位在所述上模具之下。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，当所述模具关闭时，所述上模具延伸到所述预成型坯的所述中间肩部之下，并且终止于在所述中间肩部下方隔开的两个模具之间的接缝线。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末金属锻件的内轮廓通过在所述上冲头的所述下部区域的芯棒形成。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述芯棒与所述上冲头是一体的。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上模具和所述下模具中的至少一个在其中限定螺旋形锻型，并且所述粉末金属锻件具有螺旋形外表面。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述下模具在其中限定螺旋形锻型。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述螺旋形锻型的外径大于所述上外部模具中的中心开口的内径。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上模具的肩部设置在所述接缝线的上方并且限定所述粉末金属锻件的轮廓的一部分，并且其中在所述模具组中压缩所述预成型坯的步骤中，所述接缝线处禁止飞边形成。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述上模具从所述下模具升起，由此在所述上模具和所述下模具之间产生空隙，以及
利用所述下冲头将所述粉末金属锻件从所述下模具脱模到所述空隙，以及
在将所述粉末金属锻件从所述下模具脱模到所述空隙的过程中旋转所述下冲头。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
在压缩所述模具组之后向所述上模具和所述下模具施加夹紧力。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述锻型中压缩所述预成型坯导致所述预成型坯侧向流动。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述下冲头和所述粉末金属锻件形成为互相匹配以提供它们之间的强制旋转配合从而有助于取出。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预成型坯的内径和所述粉末金属锻件的内径基本相同的。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末金属锻件的内轮廓包括圆柱形内径、花键和键槽中的至少一种。
18.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末金属锻件为用于等速万向节的内环部件。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粉末金属锻件为斜齿轮。
20.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上冲头形成所述金属粉末锻件的上部面对表面和所述粉末金属锻件的内轮廓。
21.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在压缩步骤中，所述预成型坯的上部通过所述上冲头从所述上模具进入所述下模具而向下注入。
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