粉末金属锻件以及制造的方法和设备的制造方法
【专利说明】粉末金属锻件以及制造的方法和设备
[0001]本申请是申请号为200880011412.8 (PCT//US2008/058980)，申请日为 2008 年 04月I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。
[0002]相关申请的交叉参考
[0003]本申请要求2007年4月4日提交的美国临时专利申请N0.60/910，027的优先权。
[0004]关于联邦政府资助研究的声明
[0005]不适用。
技术领域
[0006]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】
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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】
[0011]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(forge form)。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。
[0012]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。
[0013]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。预成型还具有大约6.5g/cm3至8.0g/cm3范围内的密度。
[0014]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。
[0015]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，夕卜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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]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。
[0022]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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025]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。
[0026]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。
[0027]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。
[0028]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】
[0029]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。
[0030]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；
[0031]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；
[0032]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；
[0033]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；
[0034]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
[0035]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。
[0036]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】
[0037]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)。
[0038]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。
[0039]在图1A中，预成型坯A装入模腔12中。预成型坯A和模腔1