DE112011103625T5

DE112011103625T5 - Axiale und radiale Arretierungsmerkmale für Pulvermetall-Formungsanwendungen

Info

Publication number: DE112011103625T5
Application number: DE112011103625T
Authority: DE
Inventors: Donald D. Cooper; John P. Mohr; Joel H. Mandel
Original assignee: GKN Sinter Metals LLC
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-08-14
Also published as: BR112013010504A8; BR112013010504A2; CN103180070A; WO2012058112A1; US20130252012A1; JP2014500396A

Abstract

Es werden ein Pulvermetall-Einsatzstück zum Überformen und ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart. Das Pulvermetall-Einsatzstück weist an seiner Außenfläche Arretierungsmerkmale auf, die sich von jeweiligen Stirnseiten aus erstrecken und winkelmäßig zueinander versetzt sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von pulvermetallurgischen Sinterteilen und insbesondere das Ausbilden von axialen und radialen Arretierungsmerkmalen in Komponenten, die Bestandteil eines geformten Verbundteils werden sollen.
Hintergrund der Erfindung
In jüngerer Zeit werden zunehmend gesinterte Pulvermetall-(PM)Teile als Grundkomponente oder Einsatzstück genutzt, welche Bestandteil eines geformten Artikels aus mehreren Materialien werden. Diese Materialien können je nach Anforderungen Kunststoff, Gummi, Aluminium oder ein anderes Material umfassen. Vorteile eines Artikels aus mehreren Materialien sind niedrigere Kosten, eine höhere Produktivität und eine größere Gestaltungsvielfalt. Diese Vorteile werden zum Teil dadurch erreicht, dass PM-Teile eine erhöhte Festigung bieten und Merkmale für das geformte Verbundteil bereitstellen können, die bei einem Artikel aus einem einzigen Mal nicht erreichbar sind, und außerdem lassen sich PM-Teile aus verschiedenen Legierungen in Endgeometrie oder nahezu Endgeometrie herstellen, wodurch ein geringer Materialverlust erreicht wird und eine mechanische Bearbeitung überflüssig oder minimiert wird.
Ein PM-Teil weist in der Regel eine Innenfläche auf, welche Merkmale bestimmt, die zur Verwendung des Artikels durch den Verbraucher erforderlich sind. Dies kann je nach Anforderung ein gerades Durchgangsloch sein, eine Keilnut, ein Doppel-D-Loch oder andere. Die Außenseite liegt an dem anderen Material des Bauteils an. Dies wird oft durch Formen des Materials um das PM-Teil herum erreicht, was häufig als Überformen oder Überspritzen bezeichnet wird. Einfache PM-Teile oder Einsatzstücke weisen womöglich keinerlei Arretierungsmerkmale auf. Daher kann ein solches PM-Einsatzstück aus dem Verbundteil herausbrechen oder herausfallen. Um diesem Problem zu begegnen ist es möglich, dass bestimmte Einsatzstücke Arretierungsmerkmale aufweisen, um eine sicherere Verbindung mit dem Verbundteil bereitzustellen. Einige PM-Einsatzstücke weisen beispielsweise einen Flansch auf, um eine Arretierung in einer Richtung bereitzustellen, andere können Merkmale wie beispielsweise Rippen, Keilnuten, mehreckige Geometrien usw. an der Außenseite aufweisen, um eine Arretierung in radialer Richtung oder gegen ein Rotieren bereitzustellen. Andere Gestaltungen umfassen Rändelungen, Hinterschneidungen oder Perforierungen, in die das Formungsmaterial fließen kann, um eine axiale Arretierung bereitzustellen.
Um eine solche Arretierung gegen ein Rotieren und in axialer Richtung zu erreichen, ist jedoch typischerweise eine zusätzliche Bearbeitung erforderlich, durch die sich die Herstellungszeit und die Herstellungskosten für das Verbundteil aus mehreren Materialien insgesamt erhöhen. Zum Beispiel ist für das Rändeln, Drehen, Hinterschneiden oder Fräsen einer Hinterschneidung oder von seitlichen Perforierungen immer ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt erforderlich. In Anbetracht dieser Beschränkungen früherer Gestaltungen besteht ein Bedarf an einem verbesserten PM-Teil, das sowohl radiale als auch axiale Arretierungsmerkmale aufweist und sich leicht herstellen lässt.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein PM-Teil zur Verfügung gestellt, das eine erste oder obere Stirnseite und eine zweite oder untere Stirnseite aufweist. Der Abstand zwischen den Stirnseiten definiert eine axiale oder Längsrichtung. Das PM-Teil weist ferner eine Innenfläche auf, die eine Durchführung bildet, die je nach Anforderung der Verwendung des Artikels durch den Verbraucher ausgebildet ist, und eine Außenfläche, die dafür ausgebildet ist, in eine Materialstruktur einzugreifen, in der das PM-Teil angeordnet wird. Der Abstand zwischen der Innenfläche und der Außenfläche definiert eine radiale Richtung senkrecht zu der axialen oder Längsrichtung. Das PM-Teil umfasst ferner eine erste Gruppe von Arretierungsmerkmalen, die sich von der Außenfläche nach innen und von der ersten Stirnseite in Längsrichtung erstrecken. Eine zweite Gruppe von Arretierungsmerkmalen erstreckt sich von der Außenfläche nach innen und von der zweiten Stirnseite in Längsrichtung. Diese zweite Gruppe von Arretierungsmerkmalen ist winkelmäßig in der Mitte zwischen der ersten Gruppe von Arretierungsmerkmalen angeordnet, so dass diese winkelmäßig zueinander versetzt sind und sich nicht überschneiden. Die Arretierungsmerkmale der ersten wie auch der zweiten Gruppe weisen jeweils zumindest einen Oberflächenabschnitt senkrecht zu der tangentialen Richtung auf. Weiterhin weisen diese Merkmale außerdem einen Abschnitt der Merkmalsoberfläche senkrecht zu der Längsrichtung auf. Somit stellen sie eine Arretierung sowohl in axialer oder Längsrichtung bereit, um ein Herausschlagen des PM-Teils in axialer Richtung zu verhindern, als auch eine Arretierung in radialer Richtung, um ein Rotieren des PM-Teils in Bezug auf das umgebende Material zu verhindern.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird durch die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden des Teils aus Metallpulver bereitgestellt. Dieses Verfahren umfasst den Schritt des Pressens des Metallpulvers in einer Längsrichtung. Dies kann unter Verwendung eines Verdichtungswerkzeugsatzes erreicht werden, der einen unteren Stempel, einen unteren Kern, ein untere Form, ein obere Form, einen oberen Stempel und einen oberen Kern umfasst. Die Oberseite des PM-Teils wird durch den oberen Stempel geformt. Die obere Außenfläche mit den oberen Arretierungsmerkmalen wird durch den Hohlraum der oberen Form ausgebildet. Die untere Außenfläche des Teils mit den unteren Arretierungsmerkmalen wird durch den Hohlraum der unteren Form ausgebildet. Die untere Stirnseite des Teils wird durch den unteren Stempel geformt. Die Innenfläche des Teils wird mittels des Kerns geformt. Dieses Verfahren umfasst ferner das Entfernen des Teils, indem zunächst die obere Form und der obere Stempel von dem Teil angehoben werden und zuletzt das Entfernen durch Absenken der unteren Form und des Kerns erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich werden. In der Beschreibung wird Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1a zeigt eine perspektivische Ansicht eines Pulvermetallteils gemäß dem Stand der Technik, das eine Rändelung und eine kreisförmige Hinterschneidung als Merkmale für eine axiale und radiale Arretierung aufweist;
1b ist eine Schnittansicht des gleichen Pulvermetallteils wie in 1a gezeigt, welche das Teil 51 mit einem anderen Material 52 überformt als einen aus mehreren Materialien bestehenden Artikel zeigt;
2a zeigt eine perspektivische Ansicht eines neu gestalteten Pulvermetallteils gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b ist eine Schnittansicht des gleichen Pulvermetallteils wie in 2a gezeigt, welche das Teil 53 mit einem anderen Material 54 überformt als einen aus mehreren Materialien bestehenden Artikel zeigt; die
3a–3f sind schematische Schnittansichten des Werkzeugs zum Formen des Pulvermetallteils aus 2a; und
4 ist eine schematische Ansicht, in der zusammengefasst ist, welche Teile des Pulvermetallteils durch welche Teile des Werkzeugs ausgebildet werden.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die axialen oder in Längsrichtung verlaufenden und die radialen Arretierungsmerkmale während des Pressvorgangs ausgebildet. Wie in 2a gezeigt ist, umfasst das Pulvermetallteil ferner eine Innenfläche 90, die eine Durchführung bildet, die je nach Anforderung gemäß der Verwendung des Artikels durch den Verbraucher konfiguriert ist, sowie eine Außenfläche, die zur Anlage an einer Materialstruktur konfiguriert ist, in der das PM-Teil angeordnet wird. Der Abstand zwischen der Innenfläche und der Außenfläche definiert eine radiale Richtung senkrecht zu der axialen oder Längsrichtung. Das PM-Teil umfasst ferner eine erste Gruppe von oberen Arretierungsmerkmalen 91, die sich von der Außenfläche nach innen und von der Oberseite 92 aus in Längsrichtung erstrecken. Eine zweite Gruppe oder untere Arretierungsmerkmale 93 erstrecken sich von der Außenfläche nach innen und von der Unterseite 94 aus in Längsrichtung. Diese zweite oder untere Gruppe von Arretierungsmerkmalen 93 ist winkelmäßig derart versetzt, dass sie am Rand des Teils zwischen den oberen Arretierungsmerkmalen 91 angeordnet sind, so dass sie diese nicht überschneiden, sollten sie sich in den Bereich der anderen Gruppe von Arretierungsmerkmalen hinein erstrecken. Beide Gruppen von Arretierungsmerkmalen erstrecken sich allgemein parallel zu der axialen Richtung des Teils und über eine axiale Länge, die geringer ist als die Länge des Teils, so dass durch jedes Merkmal eine blinde Endfläche 95 gebildet wird, die sich in radialer und Umfangsrichtung erstreckt und in einer Ebene senkrecht zu der axialen Richtung liegt.
Wie dargestellt ist, weisen sowohl die oberen als auch die unteren Arretierungsmerkmale jeweils zumindest einen Oberflächenabschnitt senkrecht zu der radialen Richtung auf und weisen außerdem einen Oberflächenabschnitt des Merkmals senkrecht zu der Längsrichtung auf. Damit sorgen sie für eine Arretierung sowohl in der axialen als auch in der radialen Richtung.
Das zur Herstellung der Arretierungsmerkmale ausgeführte Verfahren ist in den 3a bis 3f dargestellt. Wie in den 3a bis 3f gezeigt, kann ein zum Überformen bestimmtes PM-Einsatzstück entsprechend der Erfindung mittels eines Verdichtungswerkzeugsatzes hergestellt werden, der als Werkzeugbestandteile eine untere Form 501, eine obere Form 502, einen oberen Stempel 601, einen oberen Stift 701, einen unteren Stempel 201 und einen unteren Kernstift 101 umfasst. Die Werkzeugbestandteile werden durch mechanische, hydraulische oder andere Antriebsmittel bewegt, wenn sie in einer Pulvermetall-Verdichtungspresse montiert sind.
Die Ausgangsposition ist in 3a gezeigt. In dieser Position ist die Form 501 mit den unteren Werkzeugbestandteilen 101 und 201 ausgerichtet und die Oberseiten aller unterer Werkzeugbestandteile liegen parallel zueinander. Der untere Stempel 201 ist rohrförmig ausgebildet und kann relativ zu der Form 501 und dem Kernstift 101 zurückgezogen werden, so dass er den Kernstift 101 unterhalb des Hohlraums, in den das Metallpulver eingefüllt wird, umschließt.
Der zweite Schritt, der in 3b gezeigt ist, besteht darin, die Werkzeugelemente unterer Kern 101 und Form 501 relativ zu dem unteren Stempel 201 zu bewegen, um einen Hohlraum 582 zu bilden. Dies kann durch Bewegen des Stempels 201 nach unten oder durch Bewegen des Kerns 101 und der Form 501 nach oben erfolgen.
Als nächstes besteht in 3c der dritte Schritt darin, den sich ergebenden Hohlraum 582 mit Metallpulver zu füllen.
Der vierte Schritt, in 3d, besteht darin, die Werkzeugbestandteile obere Form 502, oberer Stift 701 und oberer Stempel 601 nach unten in eine Position zu bringen, in der die obere Form 502 an der unteren Form 501 anliegt und der obere Stift 701 an dem unteren Kernstift 101 anliegt.
Der fünfte Schritt, in 3e, besteht darin, die obere Form 502 weiter nach unten zu führen, wodurch die Form 501 des unteren Werkzeugelements nach unten gedrückt wird, wobei das Pulver durch den unteren Stempel 201 in relativer Position dazu gehalten wird. Der Hohlraum 582 für das Pulver wird nun zum Teil durch die obere Form 502 und zum Teil durch die untere Form 501 gebildet.
Der sechste Schritt, in 3f, besteht darin, die Stempel weiter aufeinander zu zu bewegen, bis das Pulver zwischen diesen verdichtet ist. Dabei wird ein PM-Presskörper 585 geformt, dessen Innengeometrie durch den Kern 101 ausgebildet wird und dessen außenseitige Gestalt zum Teil durch die obere Form 502 und zum Teil durch die untere Form 501 ausgebildet wird, wobei die obere Form Arretierungsmerkmale von der Oberseite aus formt und die untere Form Arretierungsmerkmale von der Unterseite aus formt und wobei die obere Form 502 und die untere Form 501 winkelmäßig in ihrer Stellung versetzt sind, so dass die oberen zu den unteren Arretierungsmerkmalen winkelmäßig derart versetzt sind, dass jeweils die Merkmale jeder Gruppe zwischen den Merkmalen der jeweils anderen Gruppe liegen, wobei jede Gruppe sowohl eine axiale als auch eine radiale Arretierung bereitstellt. Die Ausrichtung der oberen Form 502 zu der unteren Form 501 kann mit einem Einstellführungswerkzeug erfolgen, oder es können zusätzliche Werkzeugmerkmale genutzt werden, um diese Ausrichtung zu ermöglichen.
Der letzte oder siebente Schritt, in 3g, besteht darin, dass die obere Form 502 nach oben bewegt wird, gefolgt von dem oberen Stempel 601, danach werden die untere Form 501 und der untere Kern 101 nach unten bewegt, um das Teil vollständig auszuwerfen und in die Ausgangsposition zurückzukehren.
Bezug nehmend auf 4, wird dabei die Innenfläche 90 durch den Kern 101 geformt, die Oberseite 92 wird durch den Stempel 601 geformt, die Unterseite 94 wird durch den Stempel 201 geformt und der obere Außenumfangsbereich 96 wird durch die Form 502 geformt und der untere Außenumfangsbereich 98 wird durch die Form 501 geformt.
Nach dem Verdichten wird das Teil in einem Sinterofen gesintert, um das Pulver des Presskörpers zu verschmelzen und zu verfestigen, wodurch dieser strukturstabil wird und gleichzeitig weitestgehend seine Geometrie beibehält.
Vorliegend wurden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung eingehend beschrieben, viele Modifikationen und Varianten zu den bevorzugten Ausführungsformen werden für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich sein. Zum Beispiel können die Pulvermetallteile Arretierungsmerkmale unterschiedlichster Geometrie oder Größe aufweisen, oder das Teil kann weitere Komplexitätsebenen aufweisen. Daher soll die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt sein.

Claims

Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück (53) zum Überformen mit einem Überformungsmaterial (54), wobei das Einsatzstück einen Korpus aus gesintertem Metallpulver umfasst, wobei der Korpus entgegengesetzte Stirnseiten (92, 94) und eine sich zwischen den Stirnseiten erstreckende Außenfläche aufweist, wobei in der Außenfläche eine Gruppe von Arretierungsmerkmalen (91) ausgebildet ist, und zwar als beabstandete Ausnehmungen, die sich von einer Stirnseite (92) aus in Richtung zu der anderen Stirnseite (94) erstrecken und kurz vor der anderen Stirnseite enden, und wobei in der Außenfläche eine zweite Gruppe (93) von Arretierungsmerkmalen ausgebildet ist, und zwar als beabstandete Ausnehmungen, die sich von der anderen Stirnseite (94) aus in Richtung zu der einen Stirnseite (92) erstrecken und kurz vor Erreichen der einen Stirnseite enden, wobei die erste Gruppe winkelmäßig zu der zweiten Gruppe versetzt ist, so dass die Merkmale der ersten Gruppe (91) winkelmäßig zwischen den Merkmalen der zweiten Gruppe (93) angeordnet sind.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei sich die Merkmale jeder Gruppe in axialer Richtung über eine solche Länge erstrecken, dass sie enden, kurz bevor sie die Merkmale der anderen Gruppe in axialer Richtung überlappen.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei die Längserstreckung der Merkmale größer ist als deren Erstreckung in Umfangsrichtung.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei jedes Merkmal eine radial einwärts ausgebildete Oberfläche in Gestalt eines Zylinderabschnitts aufweist.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei durch jedes Merkmal dort, wo dieses an einem blinden Ende endet, eine Endwandung (95) gebildet ist.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei die Außenfläche allgemein zylindrisch ist.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 5, wobei die Endwandung (95) in einer Ebene senkrecht zu der axialen Richtung liegt.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei die Merkmale der ersten Gruppe einander nicht überschneiden.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei die Merkmale der zweiten Gruppe einander nicht überschneiden.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei das Einsatzstück ein Loch aufweist.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 10, wobei das Loch eine unrunde Form aufweist, um durch eine Welle angetrieben zu werden.
Gesintertes Pulvermetall-Einsatzstück nach Anspruch 1, wobei die Merkmale der ersten Gruppe die Merkmale der zweiten Gruppe nicht überschneiden.
Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Pulvermetall-Einsatzstücks gemäß Anspruch 1, welches den Schritt des Verdichtens von Metallpulver in einem Verdichtungswerkzeugsatz umfasst, mit einem oberen Werkzeug, das eine obere Form (502) umfasst, und mit einem unteren Werkzeug, das eine untere Form (501) umfasst, wobei die eine Gruppe von Merkmalen (91) durch eine der Formen (502) ausgebildet wird und die andere Gruppe von Merkmalen (93) durch die andere Form (501) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Verfahren die Schritte umfasst, einen ersten Hohlraum (582) der unteren Form mit Metallpulver zu füllen, die obere Form (502) in Anschlag zu der unteren Form (501) zu bringen und danach das Metallpulver in dem ersten Hohlraum derart zu bewegen, dass dieses Hohlräume in beiden Formen einnimmt, und danach das Metallpulver in den Hohlräumen zu verdichten.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Verdichtungswerkzeugsatz mindestens einen Kernstift (101) umfasst, der zusammen mit der unteren Form (501) dazu beiträgt, den ersten Hohlraum (582) zu bilden, in den Pulvermetall gefüllt wird, wobei durch den mindestens einen Kernstift bei Beendigung des Verdichtens des Teils ein Loch in dem Pulvermetallteil gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Kernstift eine gestufte Form aufweist, so dass nach Beendigung des Verdichtens des Teils ein gestuftes Loch mit einem größeren Durchmesser und einem kleineren Durchmesser in dem Pulvermetallteil gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein rohrförmiger Stempel (201) einen Abschnitt des Kernstiftes (101) unterhalb des ersten Hohlraums (582) umgibt und eine Stirnseite aufweist, durch die nach Beendigung des Verdichtens des Teils eine Stirnseite des Pulvermetallteil gebildet ist.