金属部件流动成形方法

专利名称：金属部件流动成形方法
技术领域：
本发明涉及一种使金属部件即烧结的或浇铸的金属部件流动成形的方法。
背景技术：
粉末金属制造是一种已知加工过程。在熔炉中，金属粉末的细小颗粒被压紧为合意形状并最终被烧结。烧结导致粉末颗粒在它们各自表面上熔化和熔焊，以便形成部件。
粉末金属加工过程有两个固有缺点。第一个问题是，如果并非不可能的话，也是很难把粉末金属压紧成该材料100％密度的，以便消除所有的孔穴和孔隙。孔穴会降低该部件的强度，也能产生内部侵蚀。解决这个问题的办法是用铜、树脂或其他材料注入或渗入孔穴。由于树脂不会增强材料特性，而且会在低温下例如在着色炉(paintingoven)中融化，所以，树脂注入法限制了用途。尽管铜注入法可以增大强度，但这种方法花费昂贵，更重要的是，会使部件尺寸改变，降低了尺寸的准确性。
粉末金属加工过程的第二个问题是，顺着水平方向垂直于压紧力而压紧金属的能力，很受限制。大多数粉末金属加工操作都利用重力把粉末填充在模子或模具中。压紧方向是竖直的。这就意味着，不能用粉末金属/烧结加工过程制造当前产品例如多棱滑轮槽，而可用粉末金属/烧结加工过程制造链轮齿。
使粉末金属密实是一种技术，这种技术的历史同粉末金属技术本身一样长。有许多已知方法可以实现致密。最通用的加工过程是冷锻。热锻和压延也用于致密技术。
旋压(spinning)也是一种众所周知的金属成形过程。旋压的一般定义是当工件被旋转，而且通常也能旋转的工具例如安装在轴承上的工具，就使工件成形。最通用的旋压法改变了金属薄片坯件的形状，同时又使该坯件保持为片状形式的。这方面的例子有，使壶罐和平底锅成形，旋压槽轮，以及旋压喷气发动机的前部弯曲形状(这是一种难以成形的钛合金)。
一般来说，旋压比其他方法更加容易使金属流动。当部件旋转时，压辊就使金属处于塑性状态，使其流动，并使其离开。于是，当该部件旋转时，该材料的每个成分都可塑地反复流动。结果，旋压就能使该金属流动百分之几千、百分之几万次(thousands of percent)，实际上毫无限制。
通过旋压而达到的流动成形，其所用方式与用于旋压者相同，但通常经受更大负载和压力。首先，使该材料处于塑性状态，在该状态下，该材料就像陶土一样流动。这种类型旋压的例子，就是用扁坯制造多槽滑轮，用扁坯旋压轮毂，以及用扁坯旋压齿轮。
另一方面，压制成形也可加工上述工件，但仅可利用多个工位进行，也许要用千千万万个工位甚至更多工位进行。旋压可使金属在单件设备上与一压力相反地流动，该压力使某一特定部件可能需要千千万万个加工工位，每个该工位在每个周期累加地使该部件成形。
汽车滑轮的制造，通常是用业界已知的若干不同方法旋压金属薄片而进行的。然而，对于曲轴减振器滑轮而言，在许多情况下，该滑轮的质量不得不大于旋制的金属薄片滑轮所能提供的质量。要求较大质量，是为了提供使曲轴震动衰减所必需的适当数量的惯性。
按照惯例，是用铸铁滑轮而不是用旋制的金属薄片来达到较大质量。铸铁存在的问题是，由于其制造过程例如用沙型铸造的缘故，不得不对铸铁进行切削加工，以便达到最终形状和尺寸。切削加工的花费相对比较昂贵，因为要多耗时间和劳力成本，还会产生废品。另外，切削加工的多棱或其他类型的滑轮槽，比旋制部件粗糙，因为存在着切割装置所造成的切削加工痕迹(槽子)。这样会缩短皮带的使用寿命。
另外，切削加工形成许多孔穴，这些孔穴在铸件中固有。敞开式孔穴的锐利边缘对运行于槽子中的皮带有害。对槽子做切削加工也切入晶粒结构，形成整个较薄弱的结构。
此种技术的典型代表是Ferguson的美国专利第3,874,049号(USpatent no.3,874,049)(1975年)，该专利公开了一种使粉末金属部件成形的方法，其中，烧结预成型坯件是冷却成形的，且在此种成形期间，对预成型坯件的表面施加剪切力，在该表面上所要求的是支承面，是让活动模具沿着预成型坯件的此种表面穿过和擦拭而做到。
此种技术的还有一典型代表，就是Hodjat以及其他人的美国专利第5,947,853号(US patent no.5,947,853)(1999年)，该专利公开了一种滑轮，该滑轮带有组成一体的毂，该毂是用一金属薄片圆盘旋压-滚压成形的，其中，该毂的厚度大于金属薄片的厚度。
所需要的是一种方法，其用于使烧结的或铸造的金属部件流动成形。所需要的是一种方法，其用于通过旋压方式而使烧结粉末金属密实。所需要的是一种方法，其用于通过使烧结的或铸造的金属部件流动成形而制造低成本、网状、高惯性的滑轮，该滑轮用于曲轴减振器。本发明就是为了满足这些需要。

发明内容
本发明的主要方面是提供一种方法，其用于使烧结的或铸造的金属部件流动成形。
本发明的另一个方面是提供一种方法，其用于通过流动成形而使烧结粉末金属部件密实。
本发明的另一个方面是提供一种方法，其用于通过使烧结的或铸造的金属部件流动成形而制造低成本、网状、高惯性的滑轮，该滑轮用于曲轴减振器。
下文对本发明的说明以及附图，会指出或阐明本发明的其他一些方面。
一种使烧结金属部件流动成形的方法。第一个步骤是以常规的粉末金属加工过程形成圆盘。该圆盘可制成炸面圈形状的部件，其外径的一个侧面上带有或不带有凸缘。接着，可对该圆盘注入铜，或者不注入而使用，依要求而定。把该圆盘放在一旋压器上，该旋压器被支撑在适当工具上，并在圆盘外径上旋压槽子。可用精加工辊或跟在精加工辊之后的预精加工辊进行旋压。这种加工过程不仅形成精确度高的部件，而且插入旋压过程中的压力会使粉末金属密实，并消除整个槽子结构中以及表面层上的粉末金属孔穴。


在此一并作为本说明书一个部分的各附图，显示了本发明的一些推荐实施例，并与说明一起，解释本发明的原理。
图1是坯件和辊子的透视图；图2是使用本发明所述过程制造的多棱滑轮的剖视图；图2a是图2的一个细部；图3是典型的旋压机大略剖视图。
具体实施例方式
粉末金属是一种已知的制造铁部件与非铁部件的方法。首先，把元素粉末或合金粉末混合起来并压紧在模具中。接着，把所得形状在受控气氛熔炉中烧结或加热，以便对颗粒进行冶金结合。粉末金属一般是一种浪费小的金属加工过程，通常在成品部件中利用了97％以上的初始原料。所以，粉末金属是一种节省能源和原料的加工过程。虽然粉末金属能够生产最终尺寸的部件，但通常也要求做一些最终切削加工，以便部件的最终精度高。
本发明所述加工过程的第一个步骤，是用常规粉末金属加工过程形成圆盘。如图1所示，该圆盘可制成炸面圈形状的部件，其外径的一个侧面上带有或不带有凸缘。尽管也可以在坯件外径的两个侧面上制成凸缘，但这是较为困难的粉末金属加工过程，要求在模具中做凸轮动作。接着，可用已知的加工过程对该圆盘注入铜，或者不注入而使用，依要求而定。
在本发明所述的加工过程中，粉末金属材料构成范围(％)的例子如下所述。业界知道渗铜铁和钢以及铁铜和铜钢所用的许多组成成分和混合物，这些组成成分和混合物可成功地用于本发明所述的加工过程中。这些组成成分以举例但不设限的方式提供如下材料名称铁％ 铜％ 碳％FC-0205-40 93.5 1.5 0.398.2 3.9 0.6FX-1008-50 82.2 8.0 0.691.414.9 0.9上述材料名称以及同样可用于此种加工过程的其他好几种材料的名称，在1997年版本的《金属粉末工业联邦标准第35号》(MetalPowder Industries Federation(MPIF)Standard)中可以找到。只要烧结材料的延展性充分，足以用所公开的旋压方法流动成形，本发明所述加工过程实际上就能够应用于任何粉末金属部件。
把粉末金属引入粉末紧压压力机的工具中，并把该金属紧压成压坯强度的、形状为合意的环形。压力机吨位依据该环的大小(尺寸和厚度)而定，并在某种程度上影响着部件的致密。接着，把已紧压的环引入一传送装置型的烧结熔炉中，该熔炉处于惰性氛围下，以防止氧化，温度则在1120至1150摄氏度之间。该熔炉一般包括三个区，即预热区、均热区和冷却区。在大约45至60分钟后，烧结的部件出炉。
在烧结过程中，粉末颗粒的表面熔化，这种情况通常称为“发汗”，导致粉末彼此永久附着，产生实心部件。然而，由于颗粒的几何结构、形状及大小等因素，不可能达到百分之百的致密。典型的粉末金属部件，其密度范围处于实心金属部件密度的85％至92％之间。剩余的15％至8％构成了散布在整个粉末金属部件中的孔穴。较高的致密性仅仅在烧结之后通过机械加工而达到。机械加工通常是在压力机中用冷锻法完成的。在某些情况下，也用热锻法、辊压法和其他方法来完成机械加工，或者在本发明所涉及的情况下，则用流动成形法完成机械加工。
对于FC-0205-40号材料，一旦烧结完成，部件就等待送往旋压机。对于FX-1008-50号材料，首先使部件穿过另一个相似熔炉而对其渗入铜，同时，用业界已知的加工过程把另一片铜放置在该部件顶上。该铜片熔化，并经由毛细作用而被整个粉末金属部件吸收。
已烧结的部件，无论已渗入铜或未渗入铜，被移向旋压机。依据成品的质量而定，进行翻滚操作，以便改进表面光洁度，并去除旋压之前可能出现的任何毛刺。上述压力和温度仅仅以举例方式给出，但无意限制可用于生产粉末金属部件的压力和温度的范围。
图1是坯件和辊子的透视图。在本发明所述加工过程的接下来的那个步骤中，已烧结的粉末金属圆盘10被放置在业界已知的旋压机的转动心轴中，以便形成槽子11或业界所知的其他外形包括齿，参见图3。在旋压机中，该部件被放置在驱动器或主轴箱H一侧的工具上。该部件的内径(ID)位于该工具中。主轴箱工具支撑着部件10的下侧。旋压机的上侧即尾架(T)下移，并以最小约为40吨的力夹住该部件上侧。主轴箱(H)和尾架(T)在大多数情况下以400至900转/分钟的速度转动(R)。接着，粗压辊(roughing roller)20横向靠近部件(+D)，并使部件10流动成形为半成品槽形状的。所要求的最小压辊滑动力约为12吨，但是，该力的大小可以根据流动成形部分的合意深度而有所变化。依据滑轮槽子的数量以及槽子类型，可对该力做相应变动。一旦把圆盘10旋压为粗糙形状的，就使粗压辊后退(-D)并使与粗压辊处于同一路径上的精压辊(finishing roller)移动，以便完成滑轮槽11的流动成形。接着，退出精压辊，把尾架(T)上移，并弹出成品滑轮。
槽子中的部件密度以及槽子之下部分(受流动成形所影响的那些区域)的密度，接近实心材料密度的100％，粉末就是由这一密度而形成。如果要求使内径密实，就要在内部旋压平坦，或旋压成所要求的任何形状。内部和外部的旋压都是已知的，并能同步地或分开地进行。
对粉末金属环的预旋压，设计成通过计算完工部件的实际体积，包括计算致密度而进行。这就意味着，如果已经旋压成实心部件，粉末金属环的体积和直径是略微大于该部件的，从而计算由于去除粉末金属部件的孔穴而引起的体积变化。
尽管也能使用上文所述注入的粉末金属部件，但是，注入的花费昂贵，而且推荐使非注入材料密实。另外，注入会导致部件丧失其尺寸精确性。因此，如果使用渗铜部件，为了校正尺寸，以及使滑轮成形，就要进行多于致密的旋压。
所述各个旋压步骤都是举例，无意限制可能用于本发明所述加工过程或完成本发明所述部件的各个步骤的数量和类型。此处所述旋压加工过程包括施加充足的压力，但不施加热。在旋压时，由于压辊与部件相互作用，部件会稍微升温，但这种情况只是偶然发生，而且没有多大影响，甚至根本没有影响，因为在操作中使用了大量冷却剂/润滑剂，以消除由于流动成形而产生的热。必须去热，以免由于过多的热而损伤成形辊。要求冷却剂/润滑剂有润滑能力，以防止在成形辊与部件之间过分摩擦。
所公开的加工过程不仅形成精确度更高的多棱滑轮，而且由于进行旋压而产生压力，使粉末金属表面的孔穴密实并消除，可参见图2a。结果就可形成精确度高的、网状的以及低成本的多棱滑轮，或者曲轴减振器滑轮所用惯性合意的其他部件。
滑轮的惯性按其质量乘以滑轮半径的平方来计算。限制因素是金属的厚度，具体而言，该厚度是从每个槽子的底部径向地到部件内径来测算的。美国汽车工程师学会(SAE)的标准和大多数国际标准都要求该厚度最小为1.14毫米。大多数滑轮都制造成厚度为1.5毫米的。根据现有已知的加工过程，并接受合理的操作成本，例如不使聚集(gathering)方法和旋压方法增加更多的辊，对于槽子底部位置处的材料，厚度限制为最大为4.0毫米。这样，根据槽子的直径和数量，就会使不同的滑轮得到不同的惯性数值。
相反，容许对槽子底部的厚度不加任何实际限制而制造粉末金属部件和铸造部件。这种容许的根据是，由于实际上而且在财力上不可能对粉末进行单向或横向的紧压，就不能用粉末金属加工过程制造多棱滑轮槽。所以，就只得制造实心部件，而且只得经由现有技术而在该部件中切割来制造槽子，或者用所述加工过程在该部件中流动形成槽子。
尽管现有技术的减振器可以用旋压金属薄片滑轮来制造，但是，它对惯性的要求，比金属薄片滑轮所能产生的要多得多。这样就要求槽子底部的厚度，在大多数汽车减振器上，其范围是5至30毫米之间。这一厚度范围当前不可能用金属薄片加工过程来达到。
就曲轴减振器滑轮而言，本说明书局部是指铸造件。然而，这仅仅是举例，无意把产品限制为应用本发明所述加工过程而生产的。曲轴减振器使汽缸点火而导致发动机曲轴所产生的振动衰减。曲轴减振器一般包括一个毂和一个外滑轮，该滑轮带有布置在它与毂之间的弹性构件。
扭转振动的振幅通常在1度到2度之间。这种振动过大，并能导致曲轴因疲劳而失效，而且产生噪音。曲轴减振器借助于两件事物而使此种振动衰减一件是弹簧，其通常采取振动吸收弹性构件的形式；另一件是惯性质量，其通常与滑轮相结合。惯性质量阻遏振动，并借助于弹性体而减少振动振幅。使金属薄片减振器流动成形的惯性的典型数值，其范围通常约为4000至10000kg.mm2。另一方面，使用本发明的所述加工过程使铸件和粉末金属滑轮流动成形的惯性，范围通常约为8000至30000kg.mm2。这表示旋压金属薄片滑轮增大了100％至300％。这种增大是典型的，而且并非为了限制用本发明的所述加工过程可以实现的惯性增大。
本发明所述的加工过程是利用网状的和低成本的粉末金属加工过程，并把它与旋压的网状与精确度结合起来，同时，同步地仅仅使粉末金属部件的所要求部分密实。致密增强了部件强度，并减少了内部侵蚀的可能性。
与此处所述对预成形粉末金属部件的旋压及流动成形相同的方法，也能应用于对预成形铸件旋压及流动成形，并具有大多数相似的优点。该铸件仅仅需要包括一种材料，该材料经由金属加工就足以让部件金属在流动成形期间流动。铸件材料可以包括但不局限于钢、铝、不锈钢、钛、镁，以及它们的合金。
对于粉末金属部件和铸造部件而言，槽子的流动成形产生平滑的表面，该表面有利于延长皮带的使用寿命。相反，切削加工的槽子则比旋压成形的槽子磨损皮带快得多，因为皮带受到成槽表面的损害。
图2的剖视图显示用本发明所述加工过程制造的多棱滑轮。图2a是图2所示的一个细部。图2a中显示了棱纹区中改进了的颗粒结构。流动成形过程导致本体部10的外面部分中颗粒结构部分12的朝向基本平行于棱纹表面13。外面部分15中材料的密度，包括棱纹中材料的密度，实际上增大了，同时，孔穴基本上被消除了。棱纹及外面部分15的密度，逼近金属密度的100％。所以，外面部分15包括了在粉末金属本体部分17的密度上再增大8％至15％的密度，而不屈从于流动成形。
流动成形通过使钢颗粒成形，与切削加工期间发生的切割钢颗粒相对，就改进了部件强度。另外，流动成形使加工硬化，这样就使材料的机械性能提高50％或更多。高于屈服强度并低于最大拉伸强度(塑性区)的成形力，导致有组织的金属晶体排列破碎，产生“断层”。金属原子在断层区域中处于较高的能量退去(exited energy)水平。由于机械性能得到改进，原子激发就反映在材料中，包括反映为部件的强度较大。由于烧结金属的流动发生在塑性状态下，因粉末金属加工过程和因铸造而产生的烧结金属中的所有孔穴，都被关闭并且实际上消失了。机械性能比如屈服强度、最大拉伸强度以及硬度，都是本发明所述加工过程改进了的金属强度的指标。
如图2所示圆盘的内径表面14，可在内部旋压操作(业界所知的金属薄片旋压)中加以旋压，以便使内部部分16的材料密实，也使该部分16的尺寸精确度更准。任何所要求的外形都可以旋压成表面14，例如对一在机械方面配合并接受减振器弹性构件(未显示)的曲线形状，就是如此。这样流动的内径表面14例如能够接纳轴承。如同15这个部分一样，流动成形部分16包括了在粉末金属本体部分17的密度上再增大8％至15％的密度，而不屈从于流动成形。
15这个部分和16这个部分的深度或厚度，是旋压期间所用成形压力的函数，而且可以调节，以便适合于特定设计方案的需要。应当明白，尽管此处所述某些依据是“表面”，但对于本体部的旋压效果延伸到本体之内的深度，这要根据旋压流动成形过程中所用压力而定，从而就产生一个体积，其在已旋压部分中密度较大，与不经受流动成形的部分相反。
流动成形缩小了尺寸公差，使精确度更高，同时又使部件的所有部分或选中部分密实，而根本不需要进行精加工。假如有要求，无论内部还是外部的旋压，都可以在旋压机上同步进行。当然，假如有要求，也可对任何所要求的表面进行精加工。
上述说明仅仅是为了举例为证，无意限制本发明的范围，而该范围取决于随附的权利要求书。还有，尽管在此说明了本发明的一种形式，但很显然，专业人员都能对部件的结构和关系加以变动，只要不背离此处所述本发明的宗旨和范围就行。
权利要求
1.一种制造方法，包括下列步骤准备粉末金属混合体；把该粉末金属混合体放到模具中；压制该粉末金属混合体使其成为部件；把该部件从模具中取出；施加热而烧结该部件；以转动心轴旋压该部件；在旋压该部件时以压辊接触该部件；以及以压辊使该部件流动成形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于使部件流动成形包括流动成形部件中的多棱表面。
3.如权利要求1所述的方法，还包括流动成形部件的内径表面的步骤。
4.一种部件，包括具有密度的粉末金属本体；本体的外面部分，该外面部分的密度经由旋压大于本体的密度。
5.如权利要求4所述的部件，其特征在于外面部分还包括多棱外形。
6.如权利要求4所述的部件，还包括本体的一个内部部分，该内部部分的密度经由旋压而大于本体的密度。
7.如权利要求4所述的部件，其特征在于本体外面部分的密度约比本体密度大8％至15％。
8.如权利要求6所述的部件，其特征在于本体内部部分的密度约比本体密度大8％至15％。
9.如权利要求5所述的部件，其特征在于一个颗粒结构部分基本上平行于棱纹表面。
10.一种部件包括具有密度的粉末金属本体；本体的外面部分，其密度仅仅通过对该外面部分施加压力而大于本体的密度。
11.如权利要求10所述的部件，其特征在于外面部分还包括多棱外形。
12.如权利要求10所述的部件，还包括本体的一个内部部分，其密度仅仅通过对外面部分施加压力而大于本体的密度。
13.如权利要求10所述的部件，其特征在于本体外面部分的密度约比本体密度大5％至10％。
14.如权利要求12所述的部件，其特征在于本体内部部分的密度约比本体密度大8％至15％。
15.如权利要求11所述的部件，其特征在于一个颗粒结构部分基本上平行于棱纹表面。
16.一种部件，包括具有本体密度的粉末金属本体；本体部分，其密度仅仅通过对该本体部分施加压力而大于本体密度。
17.如权利要求16所述的部件，其特征在于本体部分还包括多棱外形。
18.如权利要求16所述的部件，还包括一个第二本体部分，该第二本体的密度仅仅通过对该第二本体部分施加压力而大于本体的密度。
19.如权利要求16所述的部件，其特征在于本体部分的密度约比本体密度大5％至10％。
20.如权利要求18所述的部件，其特征在于第二本体部分的密度约比本体密度大8％至15％。
21.如权利要求17所述的部件，其特征在于本体部分的颗粒结构朝向基本上平行于棱纹表面。
全文摘要
使烧结金属部件流动成形的一种方法。第一个步骤是以常规金属加工过程使圆盘(15、16、17)流动成形。圆盘(15、16、17)可以是在其外径的一个侧面上带有或不带有凸缘的炸面圈形部件。接着，可对该圆盘(15、16、17)注入铜，或者不注入而使用，依要求而定。把该圆盘(15、16、17)放在一旋压器(T)上，该旋压器被支撑在适当工具(20)上，并在圆盘外径上旋压槽子。可用精加工辊或跟在精加工辊之后的预精加工辊进行旋压。这种加工过程不仅形成精确度高的部件，而且插入旋压过程中的压力使粉末金属密实，并消除表面层上的粉末金属孔穴。
文档编号F16H55/44GK1826199SQ200480020831
公开日2006年8月30日 申请日期2004年7月19日 优先权日2003年7月24日
发明者Y·霍贾特 申请人:盖茨公司