專利名稱：精密粉末金屬部件、組件和方法
技術領域：
本發明涉及必須制成精確尺寸的燒結粉末金屬部件。
背景技術：
燒結粉末金屬部件在本領域是眾所周知的。制造燒結粉末金屬部件的一個優點 是它可成形為接近凈形狀。通常，由于制造過程的易變性，假如粉末金屬部件必須具有精 確的尺寸，則必須通過機加工過程去除材料來獲得所需的精度。這些過程導致時間成本和 加工成本的增加，并且除了獲得精確尺寸之外，并不一定能改進部件的材料性質。本發明針 對在一些類型的燒結粉末金屬部件中的這些問題。
發明內容
本發明提供一種精密粉末金屬部件、組件和方法，其中，該粉末金屬部件具有本 體，本體具有兩個相反的表面，所述表面中的至少一個表面具有至少一個突部，所述突部的 橫截面積小于部件本體的主要部分的橫截面積。部件從突部的自由端到相反端的距離限定 所述部件的一個必須精確的尺寸。粉末金屬部件通過緊實而形成在端部包括突部的本體， 進行燒結，然后通過對突部的自由端進行精壓來減小突部端部和部件相反端部之間的尺 寸，從而將該尺寸減小到標稱規定尺寸的公差內。本發明可有利地應用于泵齒輪，例如內齒輪泵齒輪。本發明的前述和其它目的和優點將在下面的詳細描述中變得清楚起來。在該描述 中，參照了示出本發明較佳實施例的附圖。
這里參照附圖，在附圖中圖la是帶有待精壓突部的燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪的立體圖；圖lb是圖la的帶有待精壓突部的燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪的立體圖；圖2a是帶有已精壓突部的已精壓燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪的立體圖；圖2b是圖2a的帶有已精壓突部的已精壓燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪的立體圖；圖3是精壓裝置的剖視立體圖；圖4是圖3的精壓裝置的剖視立體圖；圖5是圖3的精壓裝置的剖視立體圖6a是圖3的精壓裝置的剖視立體圖，示出了正在弄平待精壓突部；圖6b是圖6a的區域6b_6b的詳圖，示出了正在弄平待精壓突部；圖7a是帶有待精壓突部的燒結粉末金屬軸襯部件的立體圖；圖7b是圖7a的帶有待精壓突部的燒結粉末金屬軸襯部件的剖視圖；圖7c是帶有已精壓突部的已精壓燒結粉末金屬軸襯部件的立體圖；圖7d是圖7c的帶有已精壓突部的已精壓燒結粉末金屬軸襯部件的剖視圖；圖8a是帶有待精壓突部的燒結粉末金屬間隔部件的立體圖；圖8b是圖8a的帶有待精壓突部的燒結粉末金屬軸襯部件的剖視圖；圖8c是帶有已精壓突部的已精壓燒結粉末金屬間隔部件的立體圖；圖8d是圖8c的帶有已精壓突部的已精壓燒結粉末金屬軸襯部件的剖視圖；圖9是在已精壓表面附近、已精壓PM材料的顯微照片；以及圖10是內齒輪泵的圖，其中部分去除了泵殼的蓋子以示出轉動抵靠在蓋子上的 內齒輪泵齒輪的端面。
具體實施例方式本發明涉及需要較窄范圍的尺寸公差的粉末金屬部件。在下面的段落中描述了若 干類型的示例部件。需要精確尺寸公差的部件的一個應用場合是內齒輪泵。在這個應用場 合中，因為在內齒輪泵齒輪端部抵靠泵殼的滑動界面處，齒輪端部密封抵靠在泵殼的表面 上，如圖10所示，所以內齒輪泵齒輪具有較窄的厚度公差以確保泵的足夠密封。圖1至6 針對該示例應用場合。參見圖1，燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪10包括相反的兩個表面12、 齒面14、相反表面12與內腔16之間的斜面18、以及待精壓突部20。待精壓突部20的形狀 較佳地在橫截面上是漸縮的，例如半圓形，從而朝向自由端減小表面積。突部的自由端是弄 平的，且滑動抵靠在相鄰的泵殼表面上以產生滑動密封。或者，待精壓突部20的形狀可以 是三角形、梯形、或者任何其它橫截面形狀，該形狀從與齒輪本體形成一體的突部的根部或 基部向自由端21漸縮。待精壓突部20通常沿著相反表面12的周界定位并軸向延伸。較佳的是，待精壓 突部20位于相反表面12的位置上以確保足夠密封抵靠在諸如泵殼之類的匹配部件的相 鄰表面上，突部的自由端滑動抵靠在該相鄰表面上。例如，待精壓突部20可沿著齒輪齒的 邊緣定位成與齒輪齒的根圓直徑相鄰的一圓形、以及齒輪齒根圓徑向內側間隔開的另一圓 形，該另一圓形與通過齒輪10引入軸向內腔16的斜面18相鄰。內齒輪泵齒輪尺寸，即內腔直徑、齒數、徑節、齒壓角、齒輪厚度和齒形等，可以根 據燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪10所應用的場合合適地確定。參見圖2，已精壓燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪110包括帶有已精壓突部120的以上 特征，該已精壓突部120由待精壓突部20形成。已精壓突部120包括如圖6所示的已精壓 自由端121。包含已精壓自由端121導致相對于標稱規定尺寸的高精密總厚度。對于標稱 規定尺寸來說，已精壓燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪110可滿足小于50微米的公差。應該理 解，總厚度指的是已精壓燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪110的相反兩個表面12上的已精壓自 由端121之間的距離。或者，假如只在單個相反表面12上包括已精壓突部120，則總厚度指 的是已精壓自由端121和該相反表面12之間的距離。
已精壓突部120具有如圖6所示的梯形形狀。由于待精壓突部20的原始半圓形形狀，已精壓突部120的與相反表面121相鄰的那側是弧形的。已精壓突部120在其自由端 處具有與原始粉末金屬材料相比約95%的相對密度。有利的是，已精壓突部120與未精壓 PM部件相比具有改進的強度性質，并且孔隙率較小以提供改進的密封特性。另一益處是，在 泵齒輪和泵殼之間有較小的表面接觸面積。有利的是，在已精壓突部120之間或由已精壓 突部120包圍的凹穴或凹陷形成用于容納流體的儲藏部，該流體在液壓流體的情況下是潤 滑劑，從而導致改進的性質、效率和耐用性。對于諸如液壓泵之類的子組件來說，齒輪需要非常嚴格的總厚度控制，從而確保 對于泵正常工作的足夠密封表面(最小的泄漏或壓力損失)。這些泵所需的厚度公差小于 50微米，通常小于30微米。假如不追加二次機加工操作，目前的制造方法就無法滿足這些 公差水平。本發明的肋可在粉末金屬沖壓(頂部和/或底部)中沿著零件端部上的外形、 周界或其它表面來形成。這個特征提供了由沖壓形成的、突出零件表面的突起區域，該突起 區域在精壓操作過程中接著可塑性變形以達到非常緊密的總厚度公差。在內齒輪泵齒輪的 情況下，該變形區域為泵組件提供密封表面。在應力場施加在肋端部的多孔材料上時，精壓 操作致使孔隙變平，從而導致突起區域的厚度或高度減小，如圖9的顯微照片所示。隨著增 加厚度的減小，在達到完全密度的約95%之后，材料的抗壓強度迅速增大。塑性變形變成主 要壓實機制，從而限制孔隙并進一步關閉孔隙。用于形成已精壓燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪110的過程如下產生粉末金屬混合 物，該粉末金屬混合物可包括鐵、鋼、鋁、青銅、黃銅、或者本領域內已知用來制造傳統PM內 齒輪泵齒輪或其它零件(假如本發明應用到不同零件的話)的任何混合物。將粉末金屬混 合物放置在成形模具中，并用上方和/或下方的沖頭來壓實模具中的該粉末金屬混合物。 成形模具具有粉末金屬零件上齒面14的負形。沖頭具有零件的包括待精壓突部20在內的 相反表面12的負形。這些裝置在本領域內是眾所周知的，并且可由液壓裝置或機械裝置來 驅動。接著，對壓實的粉末金屬內齒輪泵齒輪進行燒結。可基于所選定的粉末金屬混合物 來選擇燒結的時間、溫度和環境。這些組合在本領域內是眾所周知的。燒結導致燒結粉末 金屬內齒輪泵齒輪10的接近凈形狀。通常在冷卻之后，在如圖3所示的精壓裝置22中對 燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪10進行精壓。精壓裝置22包括加工部件24 (其可以是硬質合 金)、液壓致動器或壓力部件26、夾具27、前檔塊28、以及內徑支承件30。加工部件24可包 括可動的上部加工部件32和下部加工部件34。加工部件24還包括精壓表面36，該精壓表 面36接觸待精壓突部20并使待精壓突部20變形。上部加工部件32包括凸緣38，該凸緣 38接觸前檔塊28。前檔塊28中止上部加工部件32的移動，因此確定已精壓燒結粉末金屬 內齒輪泵齒輪110的總厚度。也可采用其它精壓裝置的實施例。例如，機械加壓可代替液壓加壓。還有，內腔16 可包括形成內花鍵的待精壓突部20。這些突部可在精壓操作中通過內徑支承件30來變形。 此外，還可修改燒結過程。例如，已精壓燒結粉末金屬內齒輪泵齒輪110可經受滲透過程以 進一步改進部件的強度特性。這些對于燒結過程的修改在本領域內是眾所周知的。在任何 情況下，該過程都會產生帶有已精壓突部120和已精壓自由端121的已精壓燒結粉末金屬 內齒輪泵齒輪110。精壓過程比起機加工操作更加迅速，且成本更加低廉。此外，可以使用在精壓操作過程中會塑性變形的各種粉末金屬材料，諸如鐵、鋼、鋁、青銅和黃銅。該過程還可用來制造其它類型的、具有較窄范圍尺寸公差的部件。例如，圖7a示出了帶有待精壓突部220的燒結粉末金屬軸襯部件210。精壓該部件產生了帶有已精壓突 部320的已精壓燒結粉末金屬軸襯部件310，如圖7c所示。此外，圖8a示出了帶有待精壓 突部420的燒結粉末金屬間隔部件410。精壓該部件產生了帶有已精壓突部520的已精壓 燒結粉末金屬間隔部件510。此外，本發明也可有利地應用于其它類型的泵或其它機器，它 們具有齒輪、齒輪狀部件、或者其它端部滑動或轉動抵靠在一表面上并必須密封抵靠在該 表面上的部件，例如P型泵或有環泵。現已相當詳細地描述了本發明的較佳實施例。對于本領域的普通技術人員來說， 對所描述的較佳實施例的許多修改和變化將是顯而易見的。因此，本發明應不局限于所述 的實施例，而是應由下面的權利要求書來限定。
權利要求
一種燒結粉末金屬部件，包括本體，所述本體具有兩個相反的表面，所述表面中的至少一個表面成形有突部，所述突部朝向所述突部的自由端漸縮；其中，所述突部的所述自由端發生塑性變形，并且所述自由端的孔隙率小于所述至少一個表面中的未塑性變形的表面的孔隙率，從而將從所述自由端到另一相反表面的尺寸減小到標稱規定尺寸的公差范圍內。
2.如權利要求1所述的粉末金屬部件，其特征在于，兩個相反的表面都具有至少一個 朝向所述部件的自由端漸縮的突部，兩個自由端都發生塑性變形，并且所述自由端的孔隙 率小于相鄰表面中的未塑性變形的表面的孔隙率，從而將兩個所述自由端之間的尺寸減小 到標稱規定尺寸的公差范圍內。
3.如權利要求1所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部具有與所述自由端相鄰 的弧形側邊。
4.如權利要求1所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述自由端是平的。
5.如權利要求1所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述部件是用于液壓泵的齒輪。
6.如權利要求1所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述部件是用于液壓泵的內齒輪 泵齒輪。
7.如權利要求1所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述部件是用于液壓泵的內齒輪 泵齒輪，所述突部形成在所述齒輪的至少一個端面上。
8.如權利要求7所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部形成在所述齒輪的兩個 端面上。
9.如權利要求7所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部包括圍繞所述齒輪的齒 的周界而延伸的突部。
10.如權利要求7所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部包括圍繞所述端面在所 述齒輪的齒輪齒的基部處的一部分而延伸的突部。
11.如權利要求7所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部包括圍繞穿過所述齒輪 的孔而延伸的突部。
12.如權利要求7所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部包括圍繞所述齒輪的齒 的周界、圍繞所述端面在齒基部處的一部分、以及圍繞穿過所述齒輪的孔而延伸的突部。
13.如權利要求7所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部在所述端面上形成液體 儲藏部。
14.一種內齒輪泵，具有至少一個如權利要求1所述的部件，所述部件是內齒輪泵齒輪。
15.一種包括至少兩個部件的組件，在所述兩個部件之間具有界面，其中，所述部件中 的至少一個部件是燒結粉末金屬部件，一個部件具有抵靠另一部件的界面表面，改進之處 在于，在所述一個部件的突部的自由端，所述界面表面至少部分地由所述一個部件上的自 由端表面來限定，所述自由端表面發生塑性變形，并且所述自由端表面的孔隙率小于所述 一個部件的未塑性變形的相鄰表面的孔隙率。
16.如權利要求15所述的組件，其特征在于，所述界面是滑動界面，所述自由端表面滑 動抵靠在所述另一部件上。
17.如權利要求15所述的組件，其特征在于，所述界面形成阻止液體流動的密封。
18.如權利要求15所述的組件，其特征在于，所述自由端表面圍繞所述一個部件的端 部的周界而延伸。
19.如權利要求15所述的組件，其特征在于，所述一個部件是泵齒輪，所述另一部件是泵殼。
20.如權利要求15所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述一個部件在所述一個部件 的、與所述一個部件上的所述自由端表面相反的端部處具有相反自由端表面，所述相反自 由端表面位于所述一個部件的相反突部的自由端處，所述相反自由端表面發生塑性變形， 并且所述相反自由端表面的孔隙率小于所述一個部件的與所述相反自由端表面相鄰且未 塑性變形的相鄰表面的孔隙率。
21.<image>image see original document page 3</image>
22.如權利要求15所述的粉末金屬部件，其特征在于，所述突部的至少一部分具有相 對于所述部件的其它部分的較高密度。
23.—種生產粉末金屬部件的方法，所述方法包括 將粉末金屬混合物壓成緊實件；在所述緊實件上成形兩個相反的表面，其中，所述表面中的至少一個表面包括朝向自 由端漸縮的突部，并且成形為使從所述自由端到相反表面的距離大于所述距離的標稱規定 尺寸；對所述緊實件進行燒結；以及對所述突部的所述自由端進行精壓，從而將所述距離減小到所述標稱規定尺寸的公差內。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述粉末金屬部件的兩個相反表面都具 有至少一個朝向自由端漸縮的突部。
25.如權利要求23所述的方法，其特征在于，所述突部具有與所述自由端相鄰的弧形 側邊。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，所述自由端是平的。
全文摘要
本發明提供一種精密粉末金屬部件，該粉末金屬部件具有本體，本體具有兩個相反的表面，所述表面中的至少一個表面具有至少一個突部，所述突部的橫截面積小于部件本體的主要部分的橫截面積。從突部自由端到部件相反端的距離限定部件的一個必須相當精確的尺寸，在一個實施例中，滑動抵靠在組件的另一部件上并形成密封從而阻止液體流動。在該制造方法中，粉末金屬部件通過緊實而形成在端部包括突部的本體，進行燒結，然后通過對突部的自由端進行精壓來減小突部端部和部件相反端部之間的尺寸，從而將該尺寸減小到標稱規定尺寸的公差內。
文檔編號B22F5/08GK101809289SQ200880109245
公開日2010年8月18日 申請日期2008年9月5日 優先權日2007年9月7日
發明者C·E·卡梅隆, G·O·克隆布, I·W·唐納德森 申請人:Gkn燒結金屬有限公司