[发明专利]在压实的粉末金属部件中形成非轴向特征

说明书

技术领域

本发明涉及通过压实粉末金属形成金属零件的领域。更具体地说，本发明涉及产生大致圆形的或偏心的多个凹切的一种新的装置及方法，这些凹切垂直于工具弹出移动的轴线。

背景技术

粉末金属压实加工已经导致了制造具有不同形状与构型的工件的能力，而不必在这些工件中进一步加工某些特征或尺寸特性。粉末金属压实已经成为用于产生齿轮的一种普遍的手段，这些齿轮具有圆周的或者甚至螺旋状的多排的齿。当设计用于制造这种部件的压模或者在选择有待由这种方法制造的部件的类型时，必须考虑的一个必要的因素是在压实方法已经形成了零件之后，这些压模必须能够分离并且自由地弹出该零件。

常规的粉末金属压实通常由装有工具组的一个成型压机构成。一个典型的工具组由一个单个的压模(该压模包含处于所希望的最终成品的形状的一个空腔)、帮助在成品的底部形成特征的一个或多个底部冲头、帮助在成品的顶部上形成特征的一个或多个顶部冲头，以及帮助形成一个或多个系列的内直径的一个芯棒。可采用这种典型的工具组的变体以获得成品形状的变体。

由粉未材料压成一个零件的一个此类工具组的变体采用了一个上压模以及一个下压模。每个压模装有至少一个可移动的冲头，该冲头能够响应由一个成型压机在轴向方向上施加的压力而轴向移动。通过这种方法，该底压模与顶压模最初可定位为与接合在下压模中的一个下冲头接触，以便当这些压模处于闭合位置以及顶冲头被升起并且与顶压模分离开时，产生用于接受粉末材料的一个空腔。一个粉末送料板承载粉末越过顶压模的顶表面并且然后将粉末填充到由顶压模、底压模与底冲头产生的空腔中。该送料板被撤回并且顶冲头然后被引进顶压模之中以开始该压实过程。

在传统上一直限制了粉末金属压实制造的更宽应用的一个问题在于该方法通常产生包括多个特征的工件，这些特征由压模的移动、冲头的移动以及最终成品的移出过程的组合所造型，其中此类移动仅在轴向方向上进行。具有所希望的非轴向特征(诸如凹切)的工件几乎是不可能产生的，除非在压实过程之后必须增加诸如机加工或研磨的辅助加工以去除材料来产生此类特征。此类具有非轴向特征的工件的实例是具有至少两排环圆周齿的圆形齿轮，该两排齿被一个环圆周的凹切分隔开。非常令人希望的是能够由一个单一的方法(如仅由粉末压实方法)来产生这样的零件，而不是必须在压实的零件上进行附加的机加工或研磨操作。

已经进行了多种尝试以在粉末金属压实的零件中提供凹切。在美国专利号4,087,221中披露了一个此类方法，其中使用一个粉末金属压模来产生具有多个凹切部分的零件，这些凹切部分是通过使用可移动的插入件形成的。这个方法依然要求附加的操作步骤，因为这些插入件在压实方法完成之后必须手动地从最终零件中去除。在美国专利号4,255,103中披露了在这个概念的一个变体。在这个专利中，通过使用成形插入件在圆形的零件中形成了环形的凸缘。然而，一旦零件从压实压模中被移出，成形插入件也必须通过诸如沥取或机加工的附加处理来去除。

在美国专利号5,378,416中示出一个新的方法以解决在工件(如具有双排齿的齿轮)中提供凹切的问题。其中所披露的是一个压模组，该压模组包括一个下压模、一个上压模以及横过该下压模的顶表面而横向移动的一个“凸轮压模”。当压实过程开始时，上压模冲头与下压模冲头彼此相向地轴向移动以压实空腔中的粉末金属，同时凸轮压模的两个相对的段彼此相向地横向移动以在两排齿之间形成一个环圆周的凹切。这种设计的问题在于因为两个凸轮压模段沿一个单一的轴线彼此相向地移动，所以压实的粉末金属零件的密度在邻近每个半球形的凸轮的中心的零件部分与邻近两个凸轮压模之间的接触点的零件部分之间产生了差异。密度差异造成了零件上的应力的不均匀分布，这可以导致其过早破裂以及较短的寿命周期。此外，当在零件压实之后两个凸轮离开压模空腔撤回时，这些凸轮的不同部分抵靠在最终零件上进行不同的移动。每个凸轮的中心径向地滑动离开最终的零件，而每个凸轮的末端在大致切线方向上滑动离开。这些不同的滑动运动在每个压模部分与之接触的工件上产生了不同的应力，直至完全与零件脱离接合。这个差异可产生形成应力破裂的不可预知的模式的可能性。此外，如果横向移动的凸轮压模不能完全相遇，则产生了一个空隙，该空隙导致形成一个“薄片”或多余材料的接缝，其必须由诸如机加工这样的手段来去除。

发明内容