专利名称：粉末冶金内螺旋棘轮的制造方法及模具的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种内螺旋棘轮的成形方法及模具，尤其涉及一种粉末冶金内螺旋棘轮的制造方法及模具。
背景技术：
粉末冶金件的机械性能与精度首先取决于密度大小及其均匀性，并与其采用的原料、压制、烧结、加工的工艺、模具、设备等密切相关。一般的螺旋齿轮成型技术采用平面滚珠轴承放置在上下模冲和连接在机器上的垫块间用以旋转压制，并在此基础上发展出内螺旋齿压制技术。但压制过程中上下模冲必须随着压制进行旋转，所以无法成形外径非圆形的异型内螺旋齿轮。此外，压制过程中，转动件的旋转速度不易控制，因而容易造成模具和配料的损坏，成品率低。
发明内容
本发明提供一种一次成型外为棘轮、内孔为螺旋齿的粉末冶金内螺旋棘轮的制造方法及模具，该方法和模具提高了对坯料的有效压制力，成品率高，降低了成本。
本发明采用如下技术方案一种粉末冶金内螺旋棘轮的制造方法，包括以下步骤第一步，配料混合将下列粉末混合均匀，以质量百分比计，其中，铜占1.5-2％、镍占1.7-2％，钼占0.5％，碳占0.5％，硫化锰占0.3％，微蜡粉占0.3％，其余为铁的预合金粉的粉末，混合均匀，第二步，压制成形将上述粉末置于一种带有摩擦片结构的小型芯棒旋转系统的压制模具中压制成形，压成具有内螺旋棘轮外形的压坯，压力为1095-1105KN，压制密度大于等于6.85g/cm3，其中，带有摩擦片结构的小型芯棒旋转系统的压制模具的结构为由压制上冲1、压制中模2、压制下冲3、压制芯棒构件4组成，压制上冲1的下部内设有与压制芯棒构件4上端的限位块41相配合的限位孔11，压制中模2的内模腔21的形状与内螺旋棘轮外廓相同，压制下冲3的上部内设有与压制芯棒构件4的外螺旋齿41相配的内螺旋齿31，其中外螺旋齿41的轴向长度比内螺旋齿31长，压制上冲1与压制中模2滑动配合，压制中模2与压制下模3滑动配合，压制芯棒构件4包括压制芯棒42、摩擦片43和转动件44，其中压制芯棒42的顶端设有限位块40，压制芯棒42上部设有外螺旋齿41，在压制芯棒42的下端面和转动件44的上端面之间设有摩擦片43，并在接触面间加有润滑剂，第三步，烧结将上述压制成形的压坯在惰性气体还原气氛(如氮气，氩气)烧结炉中，逐渐预烧结加热升温至420-600℃，正热烧结1075-1175℃，降温至1100℃保温，逐渐降温冷却至室温，得到内螺旋棘轮合金烧结体，第四步，整形将上述烧结后的压坯用内螺旋棘轮压模中进行压制整形，得到粉末冶金内螺旋棘轮。
一种上述方法中所用的粉末冶金内螺旋棘轮的制造模具，由压制上冲1、压制中模2、压制下冲3、压制芯棒构件4组成，压制上冲1的下部内设有与压制芯棒构件4上端的限位块41相配合的限位孔11，压制中模2的内模腔21的形状与内螺旋棘轮外廓相同，压制下冲3的上部内设有与压制芯棒构件4的外螺旋齿41相配的内螺旋齿31，其中外螺旋齿41的轴向长度比内螺旋齿31长，压制上冲1与压制中模2滑动配合，压制中模2与压制下模3滑动配合，压制芯棒构件4包括压制芯棒42、摩擦片43和转动件44，其中压制芯棒42的顶端设有限位块40，压制芯棒42上部设有外螺旋齿41，在压制芯棒42的下端面和转动件44的上端面之间设有摩擦片43，并在接触面间加有润滑剂。
本发明中，还可用至少3块摩擦片43叠放。
本发明中，可在与压制芯棒42端面平行的摩擦片43的两个端面上均设有螺旋沟槽，在沟槽内添加有润滑剂。
本发明中，可在摩擦片43上设有中心孔。
本发明获得如下技术效果1.本发明为用粉末冶金法制造内孔为螺旋齿的棘轮，其成本较低。本发明在粉末冶金法中采用了螺旋摩擦压制采用摩擦片结构的小型芯棒旋转系统，通过芯棒的旋转，实现了内螺旋棘轮一次成型、脱模，且不易对配料以及模具发生大的冲击，从而延长了模具的使用寿命，提高了产品的成品率，大大的降低了生产成本。
2.现有技术往往旋转速度得不到控制，容易使得模具旋转速度过快，而模具旋转过快，易导致相互配合的压制上冲与压制中模之间发生偏心从而损坏模具。摩擦片使得芯棒的转速得到控制在转动件转动速度过大时，摩擦片结构会使得压制芯棒的转动速度不至于过快，从而避免对模具或者配料产生不必要的冲击而损坏模具。与原有的滚珠轴承结构的转动系统相比，使转动压力载荷的传递由原来的点压变成了面压，从而间接的提高了有效压制力，使压坯密度得到提高。
3.带有螺旋凹槽的摩擦片能减小摩擦接触面，大大减小摩擦力，在螺旋凹槽内填有润滑剂会作为接触面间润滑剂的有效补充，从而增强润滑效果。
4.至少3片摩擦片叠放，增加了可滑动的摩擦面，可使得摩擦力进一步降低，并使得速度进一步易于控制。
5.摩擦片设有中心孔，会使得摩擦接触面进一步减小，并易于对模具周向转动的控制，可使得周向力大大的增加，从而增加对粉末的压制力。
6.压制过程中芯棒旋转，确保螺旋齿轮一次成型脱模，同时避免了上模冲和阴模因旋转不稳定配合导致的模具损坏。因而，本发明成品率高，大大的降低了成本，而且能够保证高精度、高密度、高强度的特点。
根据本发明上述的工艺制造的高精度内螺旋棘轮能满足大功率冲击钻对棘轮的要求。其具有高强度和高精度的特点，能够满足和超过机械的零件性能要求。
下表列出了该产品的性能指标和国内、外产品的性能指标的对比情况
注价格以项目产品的销售价格为基础对比发明原理本发明为一外为棘轮、内孔为螺旋齿的粉末冶金件，本发明的螺旋摩擦压制采用摩擦片结构的小型芯棒旋转系统，控制上下冲周向自由度，压制过程中芯棒旋转，确保螺旋齿轮一次成型脱模。
粉末冶金是采用成形和烧结等工序将金属粉末，或金属与非金属粉末的混合物，制成金属制品的工艺技术。由于粉末冶金的生产工艺与陶瓷的生产工艺在形式上类似，此工艺方法又被称为金属陶瓷法。
粉末冶金工艺的基本工序是(1)原料粉末的制取和准备。粉末可以是纯金属或它的合金、非金属、金属与非金属的化合物以及其它各种化合物等；
(2)将金属粉末及各种添加剂均匀混合后制成所需形状的坯块；(3)将坯块在物料主要组元熔点以下的温度进行烧结，使制品具有最终的物理、化学和力学性能。
用粉末冶金法大量生产机械零件时，生产效率高、能耗低、材料省、价格低廉。
(一)粉末制备制取粉末主要取决于该材料的性能及制取方法的成本。粉末的形成是将能量传递到材料，从而制造新生表面的过程。例如，一块1m3的金属可制成大约2×1018个直径为1μm的球形颗粒，其表面积大约为6×106m2。要形成这么大的表面，需要很大的能量。
制取方法机械法和物理化学法两大类。机械法制取粉末是将原材料机械地粉碎，而化学成分基本不发生变化的工艺过程；物理化学法则是借助化学或物理的作用，改变原材料的化学成分或聚集状态，而获得粉末的工艺过程。
但是，在粉末冶金生产实践中，机械法和物理化学法之间并没有明显的界限，而是相互补充的。例如，可使用机械法去研磨还原法所得粉末，以消除应力、脱碳以及减少氧化物。
综上所述，制取粉末的方法是多种多样的，并且在工程中应用的所有金属材料几乎都可以加工成为粉末形态。在选择制取粉末的方法时，应该考虑到对粉末所提出的性能要求和遵循的经济原则。当需要采用廉价的粉末作原料时，经济问题便是先决条件。但是当需要粉末具有严格的性能要求时，则可选用昂贵的制粉方法。
(二)粉末配制粉末冶金成形前，要对粉末进行预处理及配制。预处理包括退火、筛分、制粒等。
1.退火 粉末的预先退火可使残留氧化物进一步还原、降低碳和其它杂质的含量，提高粉末的纯度，消除粉末的加工硬化等。用还原法、机械研磨法、电解法、雾化法以及羰基离解法所制得的粉末都要经退火处理。此外，为防止某些超细金属粉末的自燃，需要将其表面钝化，也要作退火处理。经过退火后的粉末，压制性得到改善，压坯的弹性后效相应减小。
2.筛分 把颗粒大小不匀的原始粉末进行分级，使粉末能够按照粒度分成大小范围更窄的若干等级。通常用标准筛网制成的筛子或振动筛来进行粉末的筛分。
3.制粒 将小颗粒的粉末制成大颗粒或团粒的工序，常用来改善粉末的流动性。在硬质合金生产中，为了便于自动成形，使粉末能顺利充填模腔就必须先进行制粒。能承担制粒任务的设备有滚筒制粒机、圆盘制粒机和振动筛等。
4.混合 将两种或两种以上不同成分的粉末均匀混合的过程。有时需将成分相同而粒度不同的粉末进行混合，称为合批。混合质量不仅影响成形过程和压坯质量，而且会严重影响烧结过程的进行和最终制品的质量。
(三)粉末成形主要功能在于(1)将粉末成形为所要求的形状；(2)赋予坯体以精确的几何形状与尺寸，这时应考虑烧结时的尺寸变化；(3)赋予坯体要求的孔隙度和孔隙类型；(4)赋予坯体以适当的强度，以便搬运。
根据成形时是否从外部施加压力，可分为压制成形和无压成形两大类。
压制成形主要有封闭钢模冷压成形、流体等静压制成形、粉末塑性成形、三轴向压制成形、高能率成形、挤压成形、轧制成形、振动压制成形等；无压成形主要有粉浆浇注、松装烧结等。
(四)后处理金属粉末压坯烧结后的进一步处理，叫做后处理。后处理的种类很多，一般由产品的要求来决定。常用的几种后处理方法如下。
1.浸渍 利用烧结件多孔性的毛细现象浸入各种液体。如为了润滑目的，可浸润滑油、聚四氟乙烯溶液、铅溶液等；为了提高强度和防腐能力，可浸铜溶液；为了表面保护，可浸树脂或清漆等。浸渍有的可在常压下进行，有的则需在真空下进行。
2.表面冷挤压 为了提高零件的尺寸精度和减小表面粗糙度，可采用整形；为了提高零件的密度，可采用复压；为了改变零件的形状，可采用精压。复压后的零件往往需要复烧或退火。
3.切削加工 横槽、横孔，以及轴向尺寸精度高的面等。
4.热处理 可提高铁基制品的强度和硬度。由于孔隙的存在，对于孔隙度大于10％的制品，不得采用液体渗碳或盐浴炉加热，以防盐液浸入孔隙中，造成内腐蚀。另外，低密度零件气体渗碳时，容易渗透到中心。对于孔隙度小于10％的制品，可用与一般钢一样的热处理方法，如整体淬火、渗碳淬火、碳氮共渗淬火等。为了防止堵塞孔隙可能引起的不利影响，可采用硫化处理封闭孔隙。淬火最好采用油作为介质，高密度制品，若为了冷却速度的需要，亦可用水作为淬火介质。
5.表面保护处理 对用于仪表、军工及有防腐要求的粉末冶金制品很重要。粉末冶金制品由于存在孔隙，这给表面防护带来困难。目前，可采用的表面保护处理有蒸汽发蓝处理，浸油，浸硫并退火，浸清漆，渗锌，浸高软化点石蜡或硬脂酸锌后电镀(铜、镍、铬、锌等)、磷化、阳极化处理等。
图1为本发明压制模具示意2为本发明摩擦片平面示意图具体实施方式
实施例1一种粉末冶金内螺旋棘轮的制造方法，该方法包括以下步骤第一步，配料混合将下列粉末混合均匀，以质量百分比计，其中，铜占1.5-2％、镍占1.7-2％，钼占0.5％，碳占0.5％，硫化锰占0.3％，微蜡粉占0.3％，其余为铁的预合金粉的粉末，混合均匀，第二步，压制成形将上述粉末置于一种带有摩擦片结构的小型芯棒旋转系统的压制模具中压制成形，压成具有内螺旋棘轮外形的压坯，压力为1100±5KN，压制密度为≥6.85g/cm3，譬如压制密度可以为7.2g/cm3，7.3g/cm3，其中，由压制上冲1、压制中模2、压制下冲3、压制芯棒构件4组成，原料粉末被放置于压制中模2中，并处于压制下冲3和压制上冲1之间，压制上冲1的下部内设有与芯棒4上端的限位块41相配合的限位孔11，限位块41的形状通常为圆柱形，与之相配合，限位孔11的形状也为圆柱形，压制中模2的内模腔21的形状与内螺旋棘轮外廓相同，压制下冲3的上部内设有与压制芯棒构件4的外螺旋齿41相配的内螺旋齿31，其中外螺旋齿41的轴向长度比内螺旋齿31长，超出长度部分用于成型内螺旋棘轮的内螺旋齿，在工作时，外螺旋齿41刚开始与内螺旋齿31相配合，超出的长度将进入原料粉末的内部从而压制粉末成型，压制上冲1与压制中模2滑动配合，压制中模2与压制下模3滑动配合，压制芯棒构件4包括压制芯棒42、摩擦片43和转动件44，其中压制芯棒42的顶端设有限位块40，压制芯棒42上部设有外螺旋齿41，在压制芯棒42的下端面和转动件44的上端面之间设有摩擦片43，并在接触面间加有润滑剂，润滑剂可用常用的机械润滑油，或者固体润滑剂。
当压制芯棒42的外螺旋齿41上升(外螺旋齿41的轴向长度比内螺旋齿31长)，直至限位块40嵌入限位孔11后，外螺旋齿41将不能再继续前进，此时内螺旋棘轮的压制成型完成，通过旋转芯棒，可很容易的脱模。
第三步，烧结将上述压制成形的压坯在惰性气体还原气氛烧结炉中，逐渐预烧结加热升温至420-600℃，正热烧结1075-1175℃，降温至1100℃保温，逐渐降温冷却至室温，得到内螺旋棘轮合金烧结体，第四步，整形将上述烧结后的压坯用内螺旋棘轮压模中进行压制整形，得到粉末冶金内螺旋棘轮。
实施例2一种粉末冶金内螺旋棘轮的制造模具，由压制上冲1、压制中模2、压制下冲3、压制芯棒构件4组成，原料粉末被放置于压制中模2中，并处于压制下冲3和压制上冲1之间，压制上冲1的下部内设有与芯棒4上端的限位块41相配合的限位孔11，限位块41的形状通常为圆柱形，与之相配合，限位孔11的形状也为圆柱形，压制中模2的内模腔21的形状与内螺旋棘轮外廓相同，压制下冲3的上部内设有与压制芯棒构件4的外螺旋齿41相配的内螺旋齿31，其中外螺旋齿41的轴向长度比内螺旋齿31长，超出长度部分用于成型内螺旋棘轮的内螺旋齿，在工作时，外螺旋齿41刚开始与内螺旋齿31相配合，超出的长度将进入原料粉末的内部从而压制粉末成型，压制上冲1与压制中模2滑动配合，压制中模2与压制下模3滑动配合，压制芯棒构件4包括压制芯棒42、摩擦片43和转动件44，其中压制芯棒42的顶端设有限位块40，压制芯棒42上部设有外螺旋齿41，在压制芯棒42的下端面和转动件44的上端面之间设有摩擦片43，并在接触面间加有润滑剂。
当压制芯棒42的外螺旋齿41上升(外螺旋齿41的轴向长度比内螺旋齿31长)，直至限位块40嵌入限位孔11后，外螺旋齿41将不能再继续前进，此时内螺旋棘轮的压制成型完成，通过旋转芯棒，可很容易的脱模。
本实施例中，摩擦片43互相叠放，至少有3块，例如3块，4块，5块，6块，7块，根据实际的空间调节摩擦片的数量，重点在于增加摩擦接触面的数量。
本实施例中，与压制芯棒42端面平行的摩擦片43的两个端面上均设有螺旋沟槽，在沟槽内添加有润滑剂，润滑剂可用常用的机械润滑油，或者固体润滑剂。
本实施例中，摩擦片43上设有中心孔，中心孔的直径通常小于内螺旋凹槽的最小直径。
权利要求
1.一种粉末冶金内螺旋棘轮的制造方法，其特征在于包括以下步骤第一步，配料混合将下列粉末混合均匀，以质量百分比计，其中，铜占1.5-2％、镍占1.7-2％，钼占0.5％，碳占0.5％，硫化锰占0.3％，微蜡粉占0.3％，其余为铁的预合金粉的粉末，混合均匀，第二步，压制成形将上述粉末置于一种带有摩擦片结构的小型芯棒旋转系统的压制模具中压制成形，压成具有内螺旋棘轮外形的压坯，压力为1095-1105KN，压制密度为大于等于6.85g/cm3，其中，带有摩擦片结构的小型芯棒旋转系统的压制模具的结构为由压制上冲(1)、压制中模(2)、压制下冲(3)、压制芯棒构件(4)组成，压制上冲(1)的下部内设有与压制芯棒构件(4)上端的限位块(41)相配合的限位孔(11)，压制中模(2)的内模腔(21)的形状与内螺旋棘轮外廓相同，压制下冲(3)的上部内设有与压制芯棒构件(4)的外螺旋齿(41)相配的内螺旋齿(31)，其中外螺旋齿(41)的轴向长度比内螺旋齿(31)长，压制上冲(1)与压制中模(2)滑动配合，压制中模(2)与压制下模(3)滑动配合，压制芯棒构件(4)包括压制芯棒(42)、摩擦片(43)和转动件(44)，其中压制芯棒(42)的顶端设有限位块(40)，压制芯棒(42)上部设有外螺旋齿(41)，在压制芯棒(42)的下端面和转动件(44)的上端面之间设有摩擦片(43)，并在接触面间加有润滑剂，第三步，烧结将上述压制成形的压坯在惰性气体还原气氛烧结炉中，逐渐预烧结加热升温至420-600℃，正热烧结1075-1175℃，降温至1100℃保温，逐渐降温冷却至室温，得到内螺旋棘轮合金烧结体，第四步，整形将上述烧结后的压坯用内螺旋棘轮压模中进行压制整形，得到粉末冶金内螺旋棘轮。
2.一种用于实施权利要求1所述的粉末冶金内螺旋棘轮的制造模具，其特征在于由压制上冲(1)、压制中模(2)、压制下冲(3)、压制芯棒构件(4)组成，压制上冲(1)的下部内设有与压制芯棒构件(4)上端的限位块(41)相配合的限位孔(11)，压制中模(2)的内模腔(21)的形状与内螺旋棘轮外廓相同，压制下冲(3)的上部内设有与压制芯棒构件(4)的外螺旋齿(41)相配的内螺旋齿(31)，其中外螺旋齿(41)的轴向长度比内螺旋齿(31)长，压制上冲(1)与压制中模(2)滑动配合，压制中模(2)与压制下模(3)滑动配合，压制芯棒构件(4)包括压制芯棒(42)、摩擦片(43)和转动件(44)，其中压制芯棒(42)的顶端设有限位块(40)，压制芯棒(42)上部设有外螺旋齿(41)，在压制芯棒(42)的下端面和转动件(44)的上端面之间设有摩擦片(43)，并在接触面间加有润滑剂。
3.根据权利要求2所述的粉末冶金内螺旋棘轮的制造模具，其特征在于，摩擦片(43)至少有3块，并互相叠放。
4.根据权利要求2所述的粉末冶金内螺旋棘轮的制造模具，其特征在于，与压制芯棒(42)端面平行的摩擦片(43)的两个端面上均设有螺旋沟槽，在沟槽内添加有润滑剂。
5.根据权利要求2所述的粉末冶金内螺旋棘轮的制造模具，其特征在于，摩擦片(43)上设有中心孔。
全文摘要
本发明公开一种粉末冶金内螺旋棘轮的制造方法，包括，配料混合，压制成形，烧结，压制整形，得到粉末冶金内螺旋棘轮。本发明还公开一种制造模具，由压制上冲、压制中模、压制下冲、压制芯棒构件组成，压制上冲下部内设有与压制芯棒构件上端限位块相配合的限位孔，压制下冲的上部内设有与压制芯棒构件的外螺旋齿相配的内螺旋齿，压制上冲与压制中模滑动配合，压制中模与压制下模滑动配合，压制芯棒构件包括压制芯棒、摩擦片和转动件，压制芯棒上部设有外螺旋齿，在压制芯棒的下端面和转动件的上端面之间设有摩擦片，并在接触面间加有润滑剂。本发明通过芯棒的旋转，实现了内螺旋棘轮一次成型、脱模，提高了产品的成品率，大大的降低了生产成本。
文档编号B22F3/16GK1907603SQ20061004114
公开日2007年2月7日 申请日期2006年8月8日 优先权日2006年8月8日
发明者宋永盛, 高瑞华, 汤春华, 宋永刚 申请人:海门市常乐粉末冶金厂