CN1074699C - 制造压制件的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制造压制件的设备，压制件有由粉末材料尤其是金属粉末制的圆柱形主成型部分和螺旋线状副成型部分，此设备有一个阴模(1)和有至少一个可绕其纵轴线旋转地支承着的上部冲头(2)以及至少一个可绕其纵轴线旋转地支承着的底部冲头(3)，其中，上部冲头(2)和底部冲头(3)可在电机传动下沿轴向相对于阴模(1)移动，此至少一个上部冲头(2)为获得螺旋线状运动，除了其轴向传动外还被传动绕其纵轴线旋转。本发明的特征在于：设有一个电子控制器(8)；此至少一个底部冲头(3)同样被旋转驱动；以及，冲头(2，3)的电动的旋转传动总是与冲头(2，3)轴向运动的传动在机械上分离，并可通过控制器(8)单独调整。

Description

制造压制件的设备

本发明涉及一种制造具有圆柱形主成型部分和螺旋线状副成型部分的压制件的设备。例如所涉及的是生产斜齿齿轮，其中的斜齿可看作是副成型部分。

由EP0528761A1已知一种此类设备，它用来制造压制件，例如在形式上是金属粉末制的斜齿齿轮。这种已知的金属粉末压力机有一个可直线移动的上活塞，其中装有一个可绕(沿压制方向的)纵轴线转动的上部冲头，以及有一个朝下部止动器方向同样可沿直线移动的下活塞，其中可转动地装有底部冲头。此外还设有一块阴模板，它构成型腔并在压制循环中同样可直线移动。可转动的底部冲头和可转动的上部冲头，分别有一个与模具筒体(亦即型腔)的齿型(亦即斜齿)相符的齿型。可自由旋转地支承着的底部冲头始终与型腔的型面啮合，并因而在压制循环中在底部冲头与阴模板之间进行直线相对运动的同时，被迫相应地转动。与之不同，在压制循环中从外部迫使上部冲头按照它的侵入深度，作相应于斜齿的转动，以避免上部冲头外表面与阴模型腔之间的摩擦。为此设有一个齿轮传动装置，它通过与压制件所期望的斜齿相应的滑槽式控制器传动。滑槽式控制器涉及所谓的型芯(Kulissenkerne)，它一方面与导向板刚性连接，另一方面形状相配地在齿轮传动装置同轴设置的传动齿轮中滑动。在压制循环期间，导向板暂时固定连接在阴模板上，并与之一起运动。在制成的压制件脱模时采用所谓的拔出法。

这种已知的金属粉末压力机需要大量机械方面的制造费用，以及还需要一大笔技术改造费，因为对于每种不同的压制件，除专用的成套模具(阴模以及上部冲头和底部冲头)外，还必须制备和更换与压制件对应的一套型芯。还要加上用于导向板的费用，以及为将导向板刚性地连接在阴模板上的可操纵机械锁紧装置所需的费用。此外还应提出，在没有从外部强迫传动的底部冲头(指它的旋转运动)与阴模之间的摩擦问题依然存在。这不仅仅是造成这一部位模具磨损量增加，而且还导致在压制件中不均匀的密度分布。

由发表的论文“Quality control through process of rotaryforming press”(Metal Powder Industries Federation，卷6,6-11,1994年5月，125-137页)已知一种用于所谓旋转压制法的电子控制其运动的压力机。这种压力机用于再加工已经烧结的粉末冶金制成的成型件，使它们的密度达到该种材料理论上可能的密度的95-98％范围内。这种压力机特殊的结构可以在压力机总压制力比较低的情况下，在压制模具中产生局部极高的挤压压力。为此采用了摆动转动的上部冲头模具，它可以局部限制作用在工件上的极高压力，以便目标准确地压缩工件。在此出版物中没有指明，为了生产由粉末状材料组成的具有圆柱形主成型部分和螺旋线状副成型部分的压制件，直接参与要制造的压制件螺旋线状副成型部分成型的上部冲头和底部冲头，在阴模型腔内所进行的运动通过电子控制器操纵。

因此本发明的目的是对此类设备作如下的改进，使所提及的摩擦问题即使对于底部冲头也能得到满意的解决，与此同时，为生产不同压制件所需的模具费和设备改造费能保持得尽可能地低。

为实现上述目的，根据本发明提供一种制造压制件的设备，压制件有由粉末状材料尤其是金属粉末制的圆柱形主成型部分和螺旋线状副成型部分，此设备有一个阴模和有至少一个可绕其纵轴线旋转地支承着的上部冲头以及至少一个可绕其纵轴线旋转地支承着的底部冲头，其中，冲头可在电机传动下沿轴向相对于阴模移动，此至少一个上部冲头为获得螺旋线状运动，除了其轴向传动外还被传动绕其纵轴线旋转，其特征为：设有一个电子控制器；所述至少一个底部冲头同样被旋转驱动；冲头的电动旋转传动总是与冲头轴向运动的传动在机械上分离，并可通过控制器单独调整，直接参与所要制造的压制件螺旋线状副成型部分成型的上部冲头和底部冲头在阴模型腔内的运动，通过电子控制器操纵。

根据本发明，控制器按下列方式设计，即，使此至少一个上部冲头在轴向和旋转运动方面位置控制地被插入阴模的型腔。控制器按下列方式设计，即，使此至少一个上部冲头，直至插入阴模的型腔前只作线性运动；以及，此至少一个上部冲头沿轴向弹性地被支承。控制器按下列方式设计，即，在压缩过程中对冲头的旋转运动进行位置控制。控制器按下列方式设计，即，在压缩过程中以规定扭矩值使冲头进行旋转运动。控制器按下列方式设计，即，根据实际的压制力、实际的扭矩或有关冲头的轴向位置控制扭矩值。控制器按下列方式设计，即，冲头的旋转运动总是以一个不随时间改变的扭矩值进行。控制器按下列方式设计，即，使冲头的旋转传动，根据螺旋线的上升角和当时的上部冲头与阴模之间以及底部冲头与阴模之间的模具间隙，在到达压制的终端位置之前停止。控制器按下列方式设计，即，为了阴模装料和压制件的脱模，冲头的旋转运动在控制技术方面以与压缩部分相反的方式进行。冲头的轴向传动是液压式的。为旋转运动设置液压或气动的传动装置。为旋转运动设置电动传动装置。所述的电动传动装置是步进电动机或伺服电动机。此设备是CNC控制的粉末压力机的一部分。它的机械部分构成了可装入压力机中的模具适配器。阴模被刚性地支承。

本发明的主要特征在于，直接参与所要制造的压制件螺旋线状副成型部分成型的上部冲头和底部冲头(例如对于一些具有多个沿轴向串联的齿的齿轮可能相应地需要多个底部冲头或上部冲头)，它们在阴模型腔中的运动由一个电子控制器操纵。底部冲头和上部冲头的旋转运动根据它们在型腔中的侵入深度进行，亦即不再通过机械的直线和旋转的传动连接，这就意味着不再仅仅通过冲头轮廓在阴模筒体的摩擦，如按EP0528761A1的压力机中使其中一个宽侧成型的底部冲头中那样，亦不再仅仅通过滑芯的机械式接触，如在这种已知的压力机中使另一个宽侧成型的上部冲头中那样，而是通过一种电子控制的单独的(机械的被脱开)旋转传动装置来保证。这意味着，在作直线运动期间同时进行的旋转运动(根据螺旋线状副成型部分的螺距)，必须具有在(冲头与阴模之间)齿的模具间隙范围以内的精度地进行。因此，本发明的实施形式规定，冲头的轴向和旋转运动位置控制地进行。为了得知当时的轴向和旋转位置，设置相应的传感器(例如用于测量直线运动的直线电位计或增量测杆，或用于测量旋转运动的转角传感器)。与此有关地应当指出，阴模最好固定在所采用的粉末压力机上，而上部冲头和底部冲头可作直线和旋转运动。但当然也可以改变为相反的运动学关系，例如阴模保持旋转固定，但如按EP0528761A1的压力机中那样可沿直线随动，在这种情况下底部冲头固定但可以作旋转运动，而上部冲头可沿直线和作旋转运动。原则上阴模也可以旋转运动。除了上部冲头和/或底部冲头的可旋转性之外，这种阴模也能旋转的情况是有意义的，例如，若应生产多重齿轮时，亦即压制件具有多个沿轴向串联的宽度不同的齿(或具有不同的斜角)。除已提及的底部冲头和上部冲头外，还可以按已知的方式设心部冲头，它可借助于辅助传动装置传动，和例如用于形成齿轮的轮毂，以便齿轮可以安装在一根轴上。

上部冲头运动过程的电子控制器可以设计为，在阴模型腔之外只进行单纯的直线运动，以及，在压制循环中所需要的旋转运动，只是在即将侵入阴模时才开始。在这种情况下上部冲头最好设有一个比较软的弹性支承和此支承以一个止挡为界限，以便在旋转运动起动时的加速过程提供足够的可用的时间。位置控制或扭矩控制只有在上部冲头移到止挡上时才开始生效。因此避免了在侵入时模具受损。

为了实施本发明并不始终需要运动过程的位置控制。按另一种方案或除了位置控制之外，还可以规定上部冲头和底部冲头的旋转运动过程(相对于阴模的)，以规定的例如随时间不变的固定扭矩值进行。在这种情况下，上部冲头和底部冲头的旋转传动在压制阶段调整为，使冲头和阴模筒体的齿面尽可能基本上只在这一侧接触，即，在冲头移入阴模的型腔时如果没有旋转传动不可免地直接互相摩擦的那一侧。因此，从外部施加的扭矩沿要不然通过形状强迫进行的旋转运动方向作用。与之不同地，也最好可以将旋转传动的扭矩，根据实际达到的压制力或实际到达的冲头侵入深度(轴向位置)来调整，亦就是说随压制力增加而增大。尤其有利的是，测量冲头上的扭矩，并将传动扭矩正好调整为这样一个值，即，在这样的扭矩值的情况下补偿了在支承装置和传动装置中的摩擦损失。这就意味着在冲头中的扭矩此时趋近于零。最好是冲头的旋转传动在压制阶段的最后距离x，亦即在到达压制终端位置前不久完全停止，以避免因扭应力而断裂。在齿的斜角β时，这一距离x必须满足下列条件：

x≤S·cotβ其中S是端面剖面中的模具间隙。对于30°的齿和模具间隙0.03毫米，例如得出x≤0.05毫米。

制造好的压制件按照推出法脱模原则上可以在不接通旋转传动的情况下进行。尽管如此，但最好还是在这时按压缩过程相反的方式(部分地)采用旋转传动。这样做保证尽最大可能保护模具和压制品。

为了实施上部冲头和底部冲头(或必要时可运动的阴模)的直线运动，可以采用液压传动装置。旋转传动同样可以通过液压操纵。在有些情况下它们也可以设计为气动的。尤其值得推荐的是电动的旋转传动，特别是步进电动机或伺服电动机。本发明最好可与一种CNC控制的粉末压力机结合实施。特别有利的是，按本发明设备主要的机械部分(冲头、阴模、旋转传动装置)设计的模具适配器形式的可更换的部件，以便能在最短时间内改装设备。

本发明有很大的优点，它可以在模具的磨损极小的情况下生产例如斜齿齿轮，因为在压制阶段以及脱模过程中，齿面区的摩擦可以限制到最小程度。与迄今已知的压制模具相比，设备改装的费用同样可以大大降低，因为，为了造成旋转传动仅仅需要程序控制技术方面的准备(无需制作滑芯)。除此之外，若有关的粉末压力机按传统的方式规定用于生产许多各不相同的压制件时，尽管为旋转传动和测量与控制技术需要更多的费用，但是其结果仍然导致根本上节省了投资成本。最后，应当强调指出，按本发明的设备可以生产出所具有的密度分布比迄今可能的要均匀得多的压制件。

下面借助了在唯一的一个附图中概略表示的金属粉末压力机实施例，详细说明按本发明的设备。

此液压式压力机有一个压力机机架16，它配备有一个上活塞14和一个下活塞15。大约在压力机机架16的中央，固定地和不可旋转地装有阴模1。在上活塞14中可旋转地装有上部冲头2以及在下活塞15中可旋转地装有底部冲头3。上部冲头2通过一个预压力弹簧9朝压制方向弹性地支承着，弹簧9将安装上部冲头2的装置沿压制方向压靠在固定的平台上。弹簧的弹性力(它的弹性作用受一个止挡的限制)在任何情况下都明显地小于对于当时的模具所产生的最大压制力，所以，在压制过程的一开始，上部冲头便早已位于止挡处。阴模1的筒体和两个冲头2、3均制有彼此对应的斜齿。为了高度准确地得知两个活塞14、15当时的直线位置，并因而也得知与它们相连的冲头2或3的位置，设有两个行程测量系统10、11，它们可例如设计为增量测杆或直线电位计。在这两个活塞14、15上分别固定有一个旋转传动装置5或7(例如伺服电动机)，它们当时的实际转角位置可借助于一个组合式转角和扭矩测量系统12或13连续地测量。冲头2、3具有测试设备12a、13a，用于测量所产生的扭矩。这两个旋转传动装置5、7分别经由一个正齿轮传动装置与两个冲头2或3之一在传动技术上连系起来。为了压力机两个活塞14、15的定位，设有两个伺服比例阀4、6。最后，图中所表示的压力机还有一个电子控制器8(用虚线环绕的部分)，它设计为划分成等级的，并由CNC中央信息处理机21、用于上活塞14或下活塞15的直线运动的各一个控制单元19或20、以及用于两个冲头2或3的旋转运动的各一个控制单元17或18组成。用于通过操作人员控制和设置压力机的CNC中央信息处理机21的输入/输出单元用22表示。电子组件和传感器在信息技术方面的逻辑电路用相应的箭头象征性地表示。两个控制单元19、20隶属于CNC中央信息处理机21，用于旋转运动的控制单元17、18作为从动的分别隶属于用于活塞直线运动的两个控制单元19或20之一。在所表示的例子中，控制单元19作为主动的隶属于控制单元20(次主动的)，也就是说，上活塞14的运动并因而上部冲头2的运动作为给定参数成为运动过程的基础。组合式转角和扭矩系统12与旋转传动装置5和控制单元17一起组成了一个封闭的控制回路，其中，控制单元17总是从活塞14直线传动装置的控制单元19处，根据由行程测量系统10测得的活塞14实际轴向位置获得它的额定值。相应地也适用于传动底部冲头3的工作相同的组件，其中，底部冲头3的直线位置依据上部冲头2的直线位置调整。CNC中央信息处理机21承担上一级的调整和控制功能，以及处理用于要建立的各个部分的给定参数。在压力机机架16内部用虚线环框表示，按本发明设备的那些主要功能部分，可以组成在形式上是一个模具适配器，可方便地更换和可与上活塞和下活塞14、15连接的组件。

所表示的压力机的工作方式如下：

在压制件脱模后，底部冲头3按照所要生产的斜齿齿轮的斜角，以通过行程测量系统11和转角测量系统12所确定的实际值为基础，使用旋转传动装置7位置控制地向下移动到装填位置。此时底部冲头3仍保持插入阴模1的型腔内。上部冲头2位于型腔的上方。在型腔用钢粉末装填后，上部冲头2借助于控制单元19根据行程测量系统10的数据位置控制地向下移动。与此同时，通过控制单元17、转角测量系统12和旋转传动装置传动装置5，引入相应的上部冲头2的旋转运动，所以上部冲头2相对于阴模1型腔的齿形的相对旋转位置，允许上部冲头无接触地插入腔内。由此开始真正的压制阶段，在这一阶段压缩置入的钢粉。为此，在保持阴模1固定的情况下，下活塞15和上活塞14同时相向地移入型腔中，此时，旋转传动装置7或5用来保证在冲头2、3与阴模1之间的摩擦减小到最低程度。因为两个转角测量系统12、13作为组合仪表，也设计用来测量传动扭矩，所以附加地或替代旋转传动装置5、7的位置控制，也可以根据冲头2、3的轴向位置进行扭矩控制。到达压制终端位置后，为了已制好的压制件的脱模，转换上部冲头2的传动系统，亦即根据压制件的形状使上部冲头2直线和旋转地按位置控制从型腔移出，与此同时下活塞3同样相应地按位置控制进一步向上移动，直至它的上部端面与阴模1的上侧处于齐平位置，亦即压制件被卸出(推出法)。在脱模期间，压制件可以有目的地保持处于所要求的负荷下。

Claims (16)

1．制造压制件的设备，压制件有由粉末状材料制的圆柱形主成型部分和螺旋线状副成型部分，此设备有一个阴模(1)和有至少一个可绕其纵轴线旋转地支承着的上部冲头(2)以及至少一个可绕其纵轴线旋转地支承着的底部冲头(3)，其中，冲头可在电机传动下沿轴向相对于阴模(1)移动，此至少一个上部冲头(2)为获得螺旋线状运动，除了其轴向传动外还被传动绕其纵轴线旋转，其特征为：设有一个电子控制器(8)；所述至少一个底部冲头(3)同样被旋转驱动；冲头(2,3)的电动旋转传动总是与冲头(2,3)轴向运动的传动在机械上分离，并可通过控制器(8)单独调整，直接参与所要制造的压制件螺旋线状副成型部分成型的上部冲头和底部冲头在阴模型腔内的运动，通过电子控制器操纵。

2．按照权利要求1所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，使此至少一个上部冲头(2)在轴向和旋转运动方面位置控制地被插入阴模(1)的型腔。

3．按照权利要求1所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，使此至少一个上部冲头(2)，直至插入阴模(1)的型腔前只作线性运动；以及，此至少一个上部冲头(2)沿轴向弹性地被支承。

4．按照权利要求2所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，在压缩过程中对冲头(2,3)的旋转运动进行位置控制。

5．按照权利要求2至3之一所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，在压缩过程中以规定扭矩值使冲头(2,3)进行旋转运动。

6．按照权利要求5所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，根据实际的压制力、实际的扭矩或有关冲头(2,3)的轴向位置控制扭矩值。

7．按照权利要求5所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，冲头(2,3)的旋转运动总是以一个不随时间改变的扭矩值进行。

8．按照权利要求1所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，使冲头(2,3)的旋转传动，根据螺旋线的上升角和当时的上部冲头(2)与阴模(1)之间以及底部冲头(3)与阴模(1)之间的模具间隙，在到达压制的终端位置之前停止。

9．按照权利要求4所述之设备，其特征为：控制器(8)按下列方式设计，即，为了阴模(1)装料和压制件的脱模，冲头(2,3)的旋转运动在控制技术方面以与压缩部分相反的方式进行。

10．按照权利要求1所述之设备，其特征为：冲头(2,3)的轴向传动是液压式的。

11．按照权利要求1所述之设备，其特征为：为旋转运动设置液压或气动的传动装置。

12．按照权利要求1所述之设备，其特征为：为旋转运动设置电动传动装置(5,6)。

13．按照权利要求12所述之设备，其特征为：所述的电动传动装置(5,6)是步进电动机或伺服电动机。

14．按照权利要求1所述之设备，其特征为：此设备是CNC控制的粉末压力机的一部分。

15．按照权利要求1所述之设备，其特征为：它的机械部分(1,2,3)构成了可装入压力机中的模具适配器。

16．按照权利要求1所述之设备，其特征为：阴模(1)被刚性地支承。