專利名稱：粉末金屬模具填裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及粉末金屬部件及用于制造它們的工藝。具體地，本發(fā)明涉及一種使用粉末金屬壓制來(lái)制造具有復(fù)雜形狀的零件的方法。
背景技術(shù)：
粉末冶金術(shù)提供了形成金屬零件的方法。通過(guò)粉末金屬制造零件通常包括如下步驟利用粉末金屬粉末填裝工具及模具組、使用該工具及模具組單軸向地壓制金屬粉末以形成粉末金屬壓坯、以及使該粉末金屬壓坯燒結(jié)以將粉末金屬壓坯的顆粒粘合到一起來(lái)形成最終的粉末金屬零件。盡管最終的粉末金屬零件通常并非完全致密，但是與使用其他金屬加工技術(shù)制造的零件相比，粉末金屬零件具有突出的尺寸精確度。為了在粉末金屬壓坯中形成頂側(cè)特征，在填裝步驟與壓制步驟之間，通過(guò)下工具構(gòu)件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)將來(lái)自模具的下部分的粉末金屬向上傳送。如果完成得當(dāng)，則該粉末傳送將粉末移動(dòng)到模具腔內(nèi)的適當(dāng)位置處用于壓制，而且同時(shí)在模具腔的沿壓制方向的不同豎向柱體上將粉末填裝與最終零件的比率保持在大約2 1。如果粉末填裝與最終零件的比率沒(méi)有在零件的各個(gè)特征上全部被維持，則最終的零件可能具有不可接受的密度變化。即使一些具有復(fù)雜形狀的零件能夠使用粉末冶金術(shù)來(lái)制造，但是某些幾何形狀不能夠使用上述的技術(shù)制成為單個(gè)的零件。為了制造具有這些幾何形狀的粉末金屬零件，零件的兩個(gè)或更多個(gè)部分需要被單獨(dú)地壓制并且隨后在壓制之后接合到一起。但是，兩個(gè)或更多個(gè)單獨(dú)的壓制步驟和接合步驟是耗時(shí)的、成本高的，并且可能需要相當(dāng)數(shù)量的燒結(jié)后的二次操作。因此，存在對(duì)形成具有復(fù)雜幾何形狀的粉末金屬零件的方法的需求。

發(fā)明內(nèi)容
公開(kāi)了一種形成粉末金屬壓坯的方法。一工具組被采用，該工具組包括具有模具腔的模具、至少一個(gè)下工具構(gòu)件和至少一個(gè)上工具構(gòu)件。至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道延伸穿過(guò)所述上工具構(gòu)件中的一個(gè)。所述下工具構(gòu)件插入所述模具腔內(nèi)。在第一填裝步驟中利用粉末金屬來(lái)填裝所述模具腔。隨后降低所述上工具構(gòu)件以限定出預(yù)壓制腔。所述預(yù)壓制腔包括在所述第一填裝步驟期間填裝有粉末金屬的填裝部分和尚未填裝粉末金屬的未填裝部分。在第二填裝步驟中經(jīng)由延伸穿過(guò)所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件進(jìn)入所述預(yù)壓制腔內(nèi)的所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道利用粉末金屬來(lái)填裝所述預(yù)壓制腔的所述未填裝部分。沿著壓制軸線壓制粉末金屬以形成粉末金屬壓坯。隨后從模具腔取出所述粉末金屬壓坯。所述第二填裝步驟可以包括使用進(jìn)給板組件使粉末金屬?gòu)牧隙废到y(tǒng)往返于所述上工具構(gòu)件中。所述進(jìn)給板組件包括滑板，所述滑板具有形成在其中的至少一個(gè)計(jì)量體積的粉末腔。所述滑板能夠在第一位置與第二位置之間移動(dòng)。在所述第一位置，所述粉末腔位于所述料斗系統(tǒng)的下方以接收體積等于所述粉末腔的粉末金屬填料。在所述第二位置， 所述粉末腔被置為與所述上工具構(gòu)件中的所述粉末進(jìn)給斜道連通以允許粉末金屬填料能夠被進(jìn)給到所述預(yù)壓制腔。在所述進(jìn)給板組件與所述上工具構(gòu)件之間可能還設(shè)有支承塊。所述進(jìn)給板組件可以設(shè)置在所述支承塊的頂側(cè)上而所述上工具構(gòu)件可以附接到所述支承塊的底側(cè)。所述支承塊可以包括至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道，所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道在所述滑板處于所述第二位置中時(shí)使所述滑板的所述粉末腔與所述上工具構(gòu)件的所述粉末進(jìn)給斜道連通。所述滑板可以包括槽，其他上工具構(gòu)件在所述滑板的所述第一位置和所述第二位置中時(shí)均延伸穿過(guò)所述槽。所述滑板可以具有多個(gè)粉末腔，所述多個(gè)粉末腔不與延伸穿過(guò)所述滑板中的所述槽的所述上工具構(gòu)件共軸。所述上工具構(gòu)件中的所述粉末進(jìn)給斜道可以相對(duì)于壓制軸線成角度地延伸穿過(guò)所述上工具構(gòu)件。所述工具組可以包括上內(nèi)部沖頭、圍繞所述上內(nèi)部沖頭的至少一部分的上中部沖頭、以及圍繞所述上中部沖頭的至少一部分的上外部沖頭。使所述上工具構(gòu)件降低以限定出所述預(yù)壓制腔的步驟可以包括使所述上外部沖頭降低。使所述上工具構(gòu)件降低以限定出所述預(yù)壓制腔的步驟還包括使所述上內(nèi)部沖頭降低以在所述模具腔上形成圓筒形腔或類似物。在所述第二填裝步驟期間，所述上中部沖頭可以處于縮回位置中以將所述上外部沖頭的所述粉末進(jìn)給斜道置于與所述預(yù)壓制腔連通。在壓制粉末金屬的步驟期間，所述上中部沖頭可以被降低以使所述上中部沖頭的表面滑動(dòng)越過(guò)所述上外部沖頭中的所述粉末進(jìn)給斜道的開(kāi)口而使所述粉末進(jìn)給斜道從與所述預(yù)壓制腔的連通中移開(kāi)。通過(guò)所述方法形成的所述粉末金屬壓坯具有與所述粉末金屬壓坯的壓制軸線垂直截取的至少兩個(gè)不同的橫截面。所述兩個(gè)橫截面中的每一個(gè)均可以具有未包括在另一橫截面中的第一填裝粉末區(qū)域。所述兩個(gè)橫截面中的每一個(gè)均還可以具有包括在另一橫截面中的第二填裝粉末區(qū)域。這種零件幾何形狀可以在所述第二填裝步驟期間使用頂部填裝而非通過(guò)傳統(tǒng)的所述下工具構(gòu)件的粉末傳送運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。粉末填裝與最終粉末金屬壓坯的比率可以在模具腔的所有不同的豎向柱體中均為大約2 1。所述第一填裝步驟可以通過(guò)將給料刮板(feed shoe)置于所述模具腔之上來(lái)執(zhí)行。所述第二填裝步驟可以通過(guò)重力來(lái)執(zhí)行。使所述上工具構(gòu)件降低以限定出所述預(yù)壓制腔的步驟可以包括使所述上工具構(gòu)件的下表面移動(dòng)為與來(lái)自所述第一填裝步驟的粉末金屬的粉末金屬填裝表面平齊。所述方法還可以包括燒結(jié)所述粉末金屬壓坯以形成燒結(jié)的粉末金屬零件的步驟。 因此，還公開(kāi)了通過(guò)所述方法制成的燒結(jié)的粉末金屬零件。同樣，公開(kāi)了通過(guò)所述方法制成的粉末金屬壓坯。如上述，所述粉末金屬壓坯可以具有與所述粉末金屬壓坯的壓制軸線垂直截取的至少兩個(gè)不同的橫截面。所述不同的橫截面中的每一個(gè)均具有包括在所述不同的橫截面中的另一個(gè)中的第一填裝粉末區(qū)域和未包括在所述不同的橫截面中的另一個(gè)中的第二填裝粉末區(qū)域。因此，所公開(kāi)的方法提供了一種利用通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)上工具構(gòu)件的頂部填裝步驟來(lái)制造粉末金屬壓坯的方法。所述頂部填裝步驟允許以在不使用復(fù)雜的下工具構(gòu)件的情況下不能使用傳統(tǒng)的下工具粉末傳送運(yùn)動(dòng)填裝的方式而利用粉末金屬來(lái)填裝至少部分由所述上工具構(gòu)件形成的預(yù)壓制腔。另外，填裝所述預(yù)壓制腔的所述方式避免了粉末填裝與最終零件的比率在整個(gè)粉末金屬壓坯上的不可接受的變化。從詳細(xì)的描述和附圖中，本發(fā)明的這些和其他優(yōu)點(diǎn)將變得明顯。下面僅僅是對(duì)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例的描述。為了評(píng)估本發(fā)明的整個(gè)保護(hù)范圍，權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)被視作為不應(yīng)意在使這些優(yōu)選實(shí)施例為權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)的僅有的實(shí)施例。


圖1是扇形齒輪的頂部立體圖，其示出了齒輪的轂側(cè)；圖2是是圖1的扇形齒輪的底部立體圖，其示出了軸向朝向的齒輪齒；圖3是圖1的扇形齒輪的俯視圖；圖4是沿圖3的線4-4剖切的扇形齒輪的橫截面?zhèn)纫晥D；圖5是流程圖，其概要描繪了用于制造諸如扇形齒輪之類的復(fù)雜零件的一組步驟；圖6-圖10是處于壓制機(jī)中的工具及模具組的橫截面圖，其中，上工具構(gòu)件和下工具構(gòu)件分別處于在第一填裝之前的第一填裝位置中、在第一填裝之后的第一填裝位置中、 在上工具構(gòu)件已被降低之后但在第二填裝之前的第二填裝位置中、在第二填裝之后的第二填裝位置中、以及在壓制位置中；圖11是附接到支承塊的進(jìn)給板組件的立體圖；圖12是未附接進(jìn)給板組件或上外部沖頭的支承塊的頂部立體圖；圖13是上外部沖頭的頂部立體圖。
具體實(shí)施例方式首先參照?qǐng)D1-圖4，其示出了一件式扇形齒輪100。使用根據(jù)下述工藝200的粉末金屬工藝將扇形齒輪100制造為單件式粉末金屬壓坯。但是，現(xiàn)在對(duì)扇形齒輪100的結(jié)構(gòu)進(jìn)行說(shuō)明以為工藝200的步驟提供背景。扇形齒輪100是通過(guò)沿與軸線A-A和B-B平行的壓制軸線壓縮形成的粉末金屬零件。扇形齒輪100包括具有頂表面104和底表面106的餡餅狀本體部分102，該頂表面104 和底表面106彼此大致平行且均垂直于軸線A-A。本體部分102從位于軸線A-A處的中心轂108延伸到位于扇形齒輪100的外周緣處的弧形壁110。中心轂108大致為圓筒形并且從本體部分102的底表面106向下延伸。中心轂 108具有軸向下表面112、徑向朝外表面114、以及從頂表面104延伸到軸向下表面112的軸向延伸通孔116。軸向延伸通孔116具有形成在其內(nèi)的徑向朝內(nèi)花鍵118?；⌒伪?10從本體部分102的底表面106向下延伸。弧形壁110包括徑向朝內(nèi)表面120和徑向朝外表面122。在弧形壁110的徑向朝內(nèi)表面120與徑向朝外表面122之間的朝下表面上形成有多個(gè)齒輪齒124。在示出的形式中，盡管限定齒輪齒IM的頂端的平面不垂直于軸線A-A，但是齒輪齒IM沿相對(duì)于軸線A-A大致徑向的方向延伸。頂側(cè)轂1 形成在本體部分102的頂表面104上、并且沿與軸線A-A平行但與軸線 A-A間隔開(kāi)的軸線B-B延伸。頂側(cè)轂1 大致呈具有徑向朝外表面128、徑向朝內(nèi)表面130、 以及軸向上表面132的圓筒形。徑向朝內(nèi)表面130在頂側(cè)轂126中限定有圓筒形腔134。 腔134的下表面136基本平行于本體部分102的頂表面104。如在圖1和圖4中最佳示出的，頂表面104還包括緊接弧形壁110的臺(tái)階部138。 臺(tái)階部138從頂表面104的其余部分偏移。由于頂側(cè)轂1 跨在臺(tái)階部138和頂部表面 104的其余部分上，因此具有不同厚度的豎向柱體材料設(shè)置在頂側(cè)轂1 和弧形壁110的區(qū)域中。應(yīng)當(dāng)理解，具有這種幾何形狀的零件不能通過(guò)傳統(tǒng)的粉末金屬壓制工藝形成為單件式粉末金屬壓坯。通常，通過(guò)利用下工具構(gòu)件的粉末傳送運(yùn)動(dòng)在模具腔內(nèi)傳送粉末金屬來(lái)進(jìn)行形成諸如轂1 之類的頂部特征的嘗試。當(dāng)粉末被傳送時(shí)，沿著零件的豎向柱體的粉末填裝與最終零件的比率必須為大約2 1，以在壓制工藝之后提供較均勻密度的零件。但是，對(duì)穿過(guò)轂126的水平橫截面和穿過(guò)具有齒輪齒124的弧形壁110的水平橫截面的比較將會(huì)發(fā)現(xiàn)，在轂126中存在不會(huì)在具有齒輪齒124的弧形壁110中發(fā)現(xiàn)的粉末金屬區(qū)域、而在具有齒輪齒124的弧形壁110中存在不會(huì)在轂1 中發(fā)現(xiàn)的粉末金屬區(qū)域。 因此，傳統(tǒng)的工具及模具組不能夠執(zhí)行如下粉末傳送運(yùn)動(dòng)該粉末傳送運(yùn)動(dòng)在具有這種最終幾何形狀的部件上提供可接受的粉末填裝與最終零件的比率。可替代地，為了制造這種類型的零件，不同的部分通常單獨(dú)地壓制并且之后進(jìn)行接合?，F(xiàn)在參照?qǐng)D5，其概要繪出了工藝200，該工藝200允許形成單件式粉末金屬壓坯并且最終形成燒結(jié)的粉末金屬零件用于具有與扇形齒輪100相似的幾何形狀的部件。另外將參照示出了填裝和壓制步驟的特定步驟的圖6-圖10對(duì)工藝200的步驟進(jìn)行說(shuō)明。為了形成粉末金屬壓坯，工具及模具組必須被設(shè)置和安裝在壓制機(jī)中。如圖6-圖 10中所示，工具及模具組包括具有模具襯墊302的模具300，該模具襯墊302限定了模具腔 304的一部分。模具襯墊302通常由硬的工具材料制成并且形成為具有與零件的外周緣的外形相似的形狀。下工具構(gòu)件包括用于形成通孔116的下芯桿306、圍繞下芯桿306的用于形成軸向下表面112的下外部沖頭308、以及形成齒輪齒124的下工具構(gòu)件310。下工具構(gòu)件向上插入模具腔304內(nèi)以在模具腔304中提供基底部并且在模具襯墊302不能夠在壓制期間形成側(cè)壁的位置處提供側(cè)壁(例如，下芯桿306的徑向朝外表面形成通孔116的花鍵 118)。還設(shè)有多個(gè)上工具構(gòu)件，包括定尺寸為裝配到模具腔304的上部的周緣中的上外部沖頭312、至少部分地被上外部沖頭312環(huán)繞的上中部沖頭314、以及至少部分地被上中部沖頭314環(huán)繞的上內(nèi)部沖頭316。上工具構(gòu)件構(gòu)造為使得粉末金屬能夠通過(guò)上工具構(gòu)件中的至少一個(gè)進(jìn)給?，F(xiàn)在參照?qǐng)D11-圖13，其示出了上外部沖頭312和進(jìn)給板組件320附接于其上的支承塊318。支承塊318安裝到上壓機(jī)組件的一部分上，以使支承塊318、上外部沖頭312以及進(jìn)給板組件 320不管其他上部工具構(gòu)件的位置為何均一起移動(dòng)。進(jìn)給板組件320將粉末金屬填料從軸向偏置的料斗系統(tǒng)322往返于粉末進(jìn)給斜道324和326，該粉末進(jìn)給斜道3M和3 分別延伸穿過(guò)支承塊318和上外部沖頭312。進(jìn)給板組件320包括滑板328，該滑板3 具有導(dǎo)槽330和延伸穿過(guò)滑板3 的三個(gè)粉末腔332。 滑板3 的線性路徑通過(guò)將滑板3 可滑動(dòng)地連接到支承塊318上的軌道系統(tǒng)來(lái)引導(dǎo)。軌道系統(tǒng)包括與滑板328的橫向側(cè)相接合的前導(dǎo)向部334和后導(dǎo)向部336以及與導(dǎo)槽330的壁相接合的中間導(dǎo)向部338。進(jìn)給板組件320包括致動(dòng)機(jī)構(gòu)，該致動(dòng)機(jī)構(gòu)使滑板328的三個(gè)粉末腔332在料斗系統(tǒng)322與粉末進(jìn)給斜道3M和3 之間來(lái)回移動(dòng)。在所示的形式中，致動(dòng)機(jī)構(gòu)包括一組汽缸340(圖11中示出為縮回)，該組汽缸340能夠延伸和縮回以使經(jīng)由一對(duì)聯(lián)動(dòng)裝置344 連接到滑板3 上的連接桿342移動(dòng)。當(dāng)然，其他致動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠用于移動(dòng)滑板328。如將在下面更詳細(xì)描述的，通過(guò)壓機(jī)循環(huán)對(duì)粉末金屬?gòu)牧隙废到y(tǒng)322往返于粉末進(jìn)給斜道3M和 326的特定時(shí)刻進(jìn)行計(jì)時(shí)。軌道系統(tǒng)和致動(dòng)機(jī)構(gòu)允許滑板3 能夠在第一位置(未示出)與第二位置(在圖 11中示出)之間移動(dòng)。在第一位置，粉末腔332位于料斗系統(tǒng)322的下方以接收粉末金屬填料。在第二位置，粉末腔332在支承塊318之上滑動(dòng)，以使粉末腔332的底部與支承塊 318中的粉末進(jìn)給斜道3M的上部開(kāi)口對(duì)準(zhǔn)、并且布置為分別與支承塊318的粉末進(jìn)給斜道 324和上外部沖頭312的粉末進(jìn)給斜道3 連通。當(dāng)粉末腔332處于除了支承塊318中的粉末進(jìn)給斜道3M的上方以外的任何位置中時(shí)，位于由支承板345 (其還具有與粉末進(jìn)給斜道3M對(duì)準(zhǔn)的孔)提供的粉末腔332下方的下表面防止粉末金屬填料從粉末腔332的底部落下?，F(xiàn)在參照?qǐng)D12，其示出了支承塊318的細(xì)節(jié)。支承塊318為大致圓筒狀、具有多個(gè)螺栓孔346用于將支承塊318安裝到上部壓機(jī)組件上。多個(gè)孔和/或斜道延伸穿過(guò)支承塊318。通孔348軸向地延伸穿過(guò)支承塊318以容納上中部沖頭314和上內(nèi)部沖頭316穿過(guò)支承塊318的通路。另外，三個(gè)粉末進(jìn)給斜道3M或通道圍繞通孔348設(shè)置。如能夠在圖8至圖10中最佳見(jiàn)到的，當(dāng)粉末供應(yīng)斜道324向下延伸時(shí)，三個(gè)粉末供應(yīng)斜道3M軸向向內(nèi)延伸?，F(xiàn)在參照?qǐng)D13，其示出了上外部沖頭312的細(xì)節(jié)。上外部沖頭312具有軸向延伸穿過(guò)其中的開(kāi)口 350。當(dāng)上外部沖頭312安裝到支承塊318上時(shí)，開(kāi)口 350具有三個(gè)粉末進(jìn)給斜道326，這三個(gè)粉末進(jìn)給斜道3 與三個(gè)粉末進(jìn)給斜道3M的位于支承塊318的底面上的出口端相對(duì)準(zhǔn)。這些粉末進(jìn)給斜道將粉末金屬向下且軸向向內(nèi)地引導(dǎo)。另外，當(dāng)上中部沖頭314延伸穿過(guò)上外部沖頭312時(shí)，三個(gè)壁352將進(jìn)給斜道3 彼此隔開(kāi)并且引導(dǎo)上中部沖頭314(該上中部沖頭314具有與由三個(gè)壁352提供的開(kāi)口 350的內(nèi)徑互補(bǔ)的滑動(dòng)配合)ο結(jié)合上工具構(gòu)件的其余部分參看進(jìn)給板組件320、支承塊318以及上外部沖頭 312，應(yīng)當(dāng)觀察到，滑板3 和粉末進(jìn)給斜道3M和326的具體設(shè)計(jì)是形成為通過(guò)其他部件來(lái)容納上中部沖頭314和上內(nèi)部沖頭316的延伸部?；?12中的槽330、支承塊318中的通孔；348以及上外部沖頭312的開(kāi)口 350在壓機(jī)循環(huán)期間容納上中部沖頭314和上內(nèi)部沖頭316穿過(guò)其中的通路和軸向運(yùn)動(dòng)。上中部沖頭314相對(duì)于上外部沖頭312的運(yùn)動(dòng)通過(guò)使上中部沖頭314的徑向朝外表面滑動(dòng)越過(guò)上外部沖頭312中的開(kāi)口 356來(lái)允許粉末進(jìn)給斜道326的開(kāi)口 356打開(kāi)或閉合。如將在下面更詳細(xì)描述的，當(dāng)上中部沖頭314充分縮回時(shí)，粉末腔332的位置以及與處于第二位置中的粉末腔332對(duì)準(zhǔn)的粉末進(jìn)給斜道3M和3 的位置設(shè)計(jì)為提供通過(guò)上部工具構(gòu)件進(jìn)入環(huán)形腔354內(nèi)的較均勻的粉末金屬分布。壓機(jī)和工具構(gòu)件的其余部分將不會(huì)被詳細(xì)地描述。但是，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，壓機(jī)能夠構(gòu)造為使得工具構(gòu)件中的每一個(gè)相對(duì)于模具300的沖程能夠被獨(dú)立地控制。另外，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，工具構(gòu)件的其他組合能夠替代地執(zhí)行相似的功能。例如，上外部沖頭312能夠由兩個(gè)單獨(dú)的沖頭代替，這兩個(gè)沖頭包括用于形成與頂部表面104的其余部分隔開(kāi)的臺(tái)階部138的沖頭。類似地，一個(gè)或更多個(gè)下工具構(gòu)件可以用于形成齒輪齒124?，F(xiàn)在參照?qǐng)D6，填裝和壓制步驟開(kāi)始于將下芯桿306、下外部沖頭308和下工具構(gòu)件310從下面插入模具腔304內(nèi)以形成模具腔304的底部和另外的內(nèi)部側(cè)壁。盡管下工具構(gòu)件提供了模具腔304的基部或基底部，但是下工具構(gòu)件也相對(duì)于圖10中所示的壓制位置縮回。在粉末填裝之前，所有上工具構(gòu)件均最初處于在模具腔304上方的提升位置中。隨著上工具構(gòu)件如圖6所示地上升，根據(jù)第一填裝步驟202，給料刮板(未示出) 能夠移動(dòng)到模具腔304上方以利用粉末金屬填裝模具腔304。當(dāng)給料刮板從模具腔304的上方縮回時(shí)，如圖7所示，模具腔304中的粉末金屬填裝線與模具300的上表面平齊。隨后，根據(jù)步驟204，至少某些上工具構(gòu)件朝向模具腔304下降。如圖8中所示， 上外部沖頭312和上內(nèi)部沖頭316降低到使它們的下部軸向面與對(duì)應(yīng)于模具300的上表面 358的粉末金屬填裝線平齊(或略低)的位置。上外部沖頭312和上內(nèi)部沖頭316可以與因第一填裝步驟202而已經(jīng)在模具腔304內(nèi)的粉末金屬相接觸，但是在工藝中的該點(diǎn)沒(méi)有顯著地壓制粉末金屬。觀察到，上外部沖頭312的用于形成臺(tái)階部138的軸向面略低于圖8中的粉末金屬填裝線。取決于粉末金屬的具體尺寸和壓實(shí)性，在上外部沖頭312的面的下面對(duì)粉末金屬的該輕微壓緊是可以接受的。但是，如果該輕微壓緊是不可接受的，則可以通過(guò)用兩件式上外部沖頭替換單件式上外部沖頭來(lái)修正該情形，兩件式上外部沖頭具有獨(dú)立于形成臺(tái)階部138的另一部件移動(dòng)的一個(gè)部件。在某點(diǎn)處，或者在上工具構(gòu)件降低之前或者在之后，上中部沖頭314相對(duì)于上外部沖頭312和上內(nèi)部沖頭316縮回。這在上外部沖頭312與上內(nèi)部沖頭316之間限定了將用于形成頂側(cè)轂126的環(huán)狀圓筒形空間354。但是，應(yīng)當(dāng)注意，上中部沖頭314縮回的時(shí)刻和程度需要與通過(guò)進(jìn)給板組件320的粉末金屬填料的輸送適當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)。當(dāng)上中部沖頭314 在上外部沖頭312中的開(kāi)口 350的粉末進(jìn)給斜道326的上方縮回時(shí)，如果粉末存在于粉末進(jìn)給斜道中，則該粉末將通過(guò)重力被傳送到上外部沖頭312與上內(nèi)部沖頭316之間的空間內(nèi)。如果上工具構(gòu)件尚未降低到如圖8所示的位置，則粉末金屬將被過(guò)早地進(jìn)給而不會(huì)被捕獲在環(huán)形圓筒形空間354中。當(dāng)上工具構(gòu)件降低到如圖8中所示的位置時(shí)，上工具構(gòu)件、下工具構(gòu)件和模具腔限定出預(yù)壓制腔。預(yù)壓制腔包括填裝部分和未填裝部分，其中填裝部分包括先前在第一填裝步驟202期間填滿粉末金屬的底部，未填裝部分是由位于在來(lái)自第一填裝步驟202的粉末金屬填裝線上方的上工具構(gòu)件之間的空間3M所限定的體積。在該點(diǎn)處，在第二填裝步驟206中將來(lái)自上工具構(gòu)件的粉末金屬傳送到預(yù)壓制腔的未填裝部分。該傳送通過(guò)經(jīng)由滑板3 的粉末腔332使粉末金屬?gòu)牧隙废到y(tǒng)往返于支承塊318中的粉末進(jìn)給斜道3M來(lái)執(zhí)行。一旦粉末腔332與支承塊318中的粉末進(jìn)給斜道3M 對(duì)準(zhǔn)，重力就導(dǎo)致粉末腔332中的粉末金屬掉落穿過(guò)支承塊318中的粉末進(jìn)給斜道324、掉落穿過(guò)上外部沖頭312中的粉末進(jìn)給斜道326、并且掉入環(huán)形空間354內(nèi)(假定上中部沖頭314充分地縮回以使粉末金屬斜道326與環(huán)形空間3M連通)。被傳送到預(yù)壓制腔的未填裝部分的粉末金屬填料應(yīng)當(dāng)向預(yù)壓制腔的未填裝部分提供適當(dāng)量的粉末金屬以形成頂側(cè)轂126。因?yàn)榉勰┣?32為計(jì)量的體積，所以總計(jì)量體積能夠選取為等于形成頂側(cè)轂1 的粉末金屬量的體積。盡管在圖8的橫截面中僅示出了一組粉末進(jìn)給斜道3M和326，但是如從圖11-圖13可理解的，實(shí)際上設(shè)有三個(gè)粉末進(jìn)給斜道。取決于工具的具體設(shè)計(jì)，在上工具構(gòu)件中可以設(shè)有一個(gè)或更多個(gè)粉末進(jìn)給斜道。一旦第二填裝步驟206如圖9所示地完成，則粉末填裝與最終零件的比率就應(yīng)當(dāng)在粉末的每個(gè)豎向柱體中均為大約2 1。當(dāng)然，由于一些粉末材料具有不同的可壓縮性或不同的目標(biāo)壓制表觀密度，因此精確的比率可能不同。在第二填裝步驟206之后，粉末金屬適當(dāng)?shù)胤植荚谟晒ぞ邩?gòu)件及模具形成的預(yù)壓制腔內(nèi)?，F(xiàn)在使上中部沖頭314降低以密封粉末進(jìn)給斜道3 的開(kāi)口 356，從而完全封閉預(yù)壓制腔。在該點(diǎn)處，根據(jù)壓制步驟208，上工具構(gòu)件和下工具構(gòu)件可以在預(yù)壓制腔內(nèi)迫壓粉末金屬。圖10中示出了處于壓制步驟208的終點(diǎn)處的最終的工具布置。在壓制期間，上外部沖頭312和上內(nèi)部沖頭316向下移動(dòng)到模具襯墊302內(nèi)以形成本體部分102、上中部沖頭314向下移動(dòng)以形成頂側(cè)轂126、下外部沖頭308向上延伸以形成中心轂、并且下工具構(gòu)件310向上移動(dòng)以形成齒輪齒124。這形成了具有扇形齒輪100的幾何形狀的一件式粉末金屬壓坯。在形成粉末金屬壓坯之后，粉末金屬壓坯在取出步驟210中從工具及模具中取出。在取出期間，上工具構(gòu)件和下工具構(gòu)件以協(xié)調(diào)的順序縮回以使粉末金屬壓坯與上和下工具及模具的表面分離。通常，上外部沖頭312和上內(nèi)部沖頭316將首先縮回，而上中部沖頭314將頂側(cè)轂126的上部軸向表面132保持在位以防止頂側(cè)轂126因作用在徑向朝向壁上的向上力而破裂。一旦上工具構(gòu)件從粉末金屬壓坯移除，下工具就升高到將底側(cè)特征從模具腔304的壁取出的取出位置。當(dāng)然，取出順序可以基于零件的幾何形狀以及用于形成粉末金屬壓坯的模具及工具構(gòu)件而改變。最后，根據(jù)步驟212，粉末金屬壓坯可以通過(guò)本領(lǐng)域中眾所周知的方法進(jìn)行燒結(jié)。 在燒結(jié)期間，粉末金屬壓坯在受控的大氣中被加熱到低于熔點(diǎn)的溫度以導(dǎo)致粉末金屬顆粒擴(kuò)散，從而導(dǎo)致顆粒凝結(jié)在一起并且形成強(qiáng)的固體燒結(jié)零件。在燒結(jié)期間，零件尺寸可能因孔隙度的減少而收縮，但零件保持其整體形狀。為了解決該收縮，粉末金屬壓坯通常設(shè)計(jì)為略大于最終的燒結(jié)零件。另外，燒結(jié)零件可以經(jīng)受任意數(shù)目的修整或二次工藝。燒結(jié)零件能夠被去毛刺、機(jī)加工、熱處理、碳化、精壓、煅煉、或者經(jīng)受本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的多種其他燒結(jié)后操作中的任一種。盡管已經(jīng)公開(kāi)了一種生成扇形齒輪的方法，其中該扇形齒輪具有在頂部上的轂以及在底部上的中心轂和軸向定向的齒輪齒，但是所公開(kāi)的方法能夠應(yīng)用于具有不對(duì)稱的頂部和底部特征的任何零件，其中下工具構(gòu)件不能夠執(zhí)行為實(shí)現(xiàn)充分的粉末填裝與最終零件的比率所必需的粉末傳送運(yùn)動(dòng)。還應(yīng)當(dāng)注意，不同的隔板可以結(jié)合到工具設(shè)計(jì)和壓機(jī)設(shè)置中。在必要的程度上，這些隔板或其他支承塊也可以形成為包括孔或粉末進(jìn)給斜道以允許通過(guò)上工具構(gòu)件傳送粉末。還應(yīng)當(dāng)理解，粉末進(jìn)給斜道不必延伸到最低的上工具構(gòu)件。例如，將斜道置于與預(yù)壓制腔連通中的粉末進(jìn)給斜道開(kāi)口能夠形成在支承塊318中，盡管在所示的工具中，這將需要在頂部填裝步驟期間將上中部沖頭314提升越過(guò)該開(kāi)口。將會(huì)理解地，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到能夠?qū)ぞ呓M進(jìn)行這種和其他種的變型以實(shí)現(xiàn)相同的頂部填裝能力。應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的不同的其他變型和修改能夠在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行。因此，本發(fā)明不應(yīng)當(dāng)局限于所描述的實(shí)施例。為了確定本發(fā)明的全部保護(hù)范圍，應(yīng)當(dāng)參照下面的權(quán)利要求書(shū)。
權(quán)利要求
1.一種使用工具組形成粉末金屬壓坯的方法，所述工具組包括具有模具腔的模具、至少一個(gè)下工具構(gòu)件和至少一個(gè)上工具構(gòu)件，所述方法包括將所述至少一個(gè)下工具構(gòu)件插入所述模具腔內(nèi)；在第一填裝步驟中利用粉末金屬填裝所述模具腔；使所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件降低以限定出預(yù)壓制腔，所述預(yù)壓制腔包括在所述第一填裝步驟期間填裝有所述粉末金屬的填裝部分和尚未填裝所述粉末金屬的未填裝部分；在第二填裝步驟中經(jīng)由至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道利用粉末金屬填裝所述預(yù)壓制腔的所述未填裝部分，所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道穿過(guò)所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件延伸到所述預(yù)壓制腔內(nèi)；沿著壓制軸線壓制所述粉末金屬以形成粉末金屬壓坯；以及從所述模具腔取出所述粉末金屬壓坯。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二填裝步驟包括使用進(jìn)給板組件使所述粉末金屬?gòu)牧隙废到y(tǒng)往返于所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件中的所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道，其中所述進(jìn)給板組件包括滑板，所述滑板具有形成在其中的至少一個(gè)計(jì)量體積的粉末腔，所述滑板能夠在第一位置與第二位置之間移動(dòng)，其中在所述第一位置，所述至少一個(gè)粉末腔位于所述料斗系統(tǒng)的下方以接收體積等于所述至少一個(gè)粉末腔的粉末金屬填料，在所述第二位置，所述至少一個(gè)粉末腔被置為與所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件中的所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道連通以允許將所述粉末金屬填料進(jìn)給到所述預(yù)壓制腔中。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，還包括支承塊，所述支承塊具有設(shè)置在其頂側(cè)上的所述進(jìn)給板組件和附接到其底側(cè)的所述上工具構(gòu)件，其中，所述支承塊包括至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道，所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道在所述滑板處于所述第二位置中時(shí)將所述滑板的所述至少一個(gè)粉末腔置于與所述上工具構(gòu)件中的所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道連通。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述滑板包括槽，所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件在所述滑板的所述第一位置和所述第二位置均延伸穿過(guò)所述槽。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述滑板包括多個(gè)粉末腔，并且所述多個(gè)粉末腔不與延伸穿過(guò)所述滑板中的所述槽的所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件共軸。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件中的所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道相對(duì)于壓制軸線成角度地延伸穿過(guò)所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述工具組包括上內(nèi)部沖頭、圍繞所述上內(nèi)部沖頭的至少一部分的上中部沖頭、以及圍繞所述上中部沖頭的至少一部分的上外部沖頭。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，使所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件降低以限定出所述預(yù)壓制腔的步驟包括使所述上外部沖頭降低。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，使所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件降低以限定出所述預(yù)壓制腔的步驟還包括使所述上內(nèi)部沖頭降低。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其中，在所述第二填裝步驟期間，所述上中部沖頭處于縮回位置中以將所述上外部沖頭的所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道置于與所述預(yù)壓制腔連通， 并且在所述壓制所述粉末金屬的步驟期間，所述上中部沖頭降低以使所述上中部沖頭的表面滑動(dòng)越過(guò)所述至少一個(gè)粉末進(jìn)給斜道的開(kāi)口而將所述粉末進(jìn)給斜道從與所述預(yù)壓制腔的連通中移開(kāi)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述粉末金屬壓坯具有與所述粉末金屬壓坯的壓制軸線垂直截取的至少兩個(gè)不同的橫截面，并且所述至少兩個(gè)不同的橫截面中的每一個(gè)均具有未包括在所述至少兩個(gè)不同的橫截面中的另一個(gè)中的第一填裝粉末區(qū)域、以及包括在所述至少兩個(gè)不同的橫街面中的另一個(gè)中的第二填裝粉末區(qū)域。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，在所述粉末金屬壓坯上的頂部填裝通過(guò)所述第二填裝步驟而非通過(guò)所述至少一個(gè)下工具構(gòu)件的粉末傳送運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。
13.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一填裝步驟通過(guò)將給料刮板置于所述模具腔的上方來(lái)執(zhí)行，并且在所述模具腔中的粉末金屬填裝線與所述模具的上表面平齊。
14.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第二填裝步驟通過(guò)重力來(lái)執(zhí)行。
15.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，使所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件降低以限定出所述預(yù)壓制腔的步驟包括將所述至少一個(gè)上工具構(gòu)件的下表面移動(dòng)為與來(lái)自所述第一填裝步驟的所述粉末金屬的粉末金屬填裝表面平齊。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，粉末填裝與最終粉末金屬壓坯的比率為大約 2 I0
17.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括使所述粉末金屬壓坯燒結(jié)以形成燒結(jié)的粉末金屬零件的步驟。
18.通過(guò)權(quán)利要求17所述的方法制成的燒結(jié)的粉末金屬零件。
19.通過(guò)權(quán)利要求1所述的方法制成的粉末金屬壓坯。
20.如權(quán)利要求19所述的粉末金屬壓坯，其中，所述粉末金屬壓坯具有與所述粉末金屬壓坯的壓制軸線垂直截取的至少兩個(gè)不同的橫截面，并且所述至少兩個(gè)不同的橫截面中的每一個(gè)均具有未包括在所述至少兩個(gè)不同的橫截面中的另一個(gè)中的第一填裝粉末區(qū)域、 以及包括在所述至少兩個(gè)不同的橫截面中的另一個(gè)中的第二填裝粉末區(qū)域。
全文摘要
本公開(kāi)的方法提供了一種采用通過(guò)一個(gè)或更多個(gè)上工具構(gòu)件的頂部填裝來(lái)制造粉末金屬壓坯的方法。所述頂部填裝步驟允許在首先使所述上工具構(gòu)件降低之后但在壓制粉末金屬之前利用粉末金屬來(lái)填裝預(yù)壓制腔，所述預(yù)壓制腔至少部分地由所述上工具構(gòu)件中的至少一個(gè)限定。填裝所述預(yù)壓制腔的方式允許在所述粉末金屬壓坯中形成不能使用傳統(tǒng)的下工具粉末傳送運(yùn)動(dòng)獲得的復(fù)雜的幾何形狀，并且使整個(gè)粉末金屬壓坯中的粉末填裝與最終零件的比率的不可接受的變化最小或被避免。
文檔編號(hào)B22F1/00GK102427900SQ201080021529
公開(kāi)日2012年4月25日 申請(qǐng)日期2010年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者基思·M·沙勒斯, 約翰·D·古羅西克 申請(qǐng)人:Gkn燒結(jié)金屬股份有限公司