RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: 332866 (22) Data zgłoszenia: 15.10.1997 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 15.10.1997, PCT/SE97/01731 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 23.04.1998, W098/16339, PCT Gazette nr 16/98 (19) PL (11) 183647 (13) B1 (51) Intel7 B22F 5/00 F16C 9/04 (54) Sposób wytwarzania części mechanicznych rozdzielanego typu (30) Pierwszeństwo: 15.10.1996, SE,9603805-4 (73) Uprawniony z patentu: HÖGANÄS AB, Höganäs, SE (43) Zgłoszenie ogłoszono: 25.10.1999 BUP 22/99 72) Twórcy wynalazku: Nils Carlbaum, Ödakra, SE Björn Johansson, Höganäs, SE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.06.2002 WUP 06/02 (74) Pełnomocnik: Lipska-Trych Zofia, POLSERVICE PL 183647 B1 (57) 1. Sposób wytwarzania części mechanicznych rozdzielanego typu obejmujący prasowanie i formowanie proszków na bazie żelaza, rozdzielanie z przełomem surowego korpusu, spiekanie części i ponowne ich łączenie, znamienny tym, że najpierw proszek na bazie żelaza poddaje się jednoczesnemu prasowaniu i formowaniu przy użyciu formy zaopatrzonej w pojedynczą matrycę mającą wnęki do kształtowania całkowitego surowego korpusu, następnie surowy korpus poddaj e się obróbce mechanicznej, po czym przeprowadza się rozdzielanie z przełomem surowego korpusu na co najmniej dwie części w wyznaczonych powierzchniach podziału, następnie spieka się części i ponownie je łączy na powierzchniach podziału, przy czym stosuje się surowy korpus o wytrzymałości przed spiekaniem wynoszącej co najmniej 20 MPa, korzystnie powyżej 25 MPa, a najkorzystniej powyżej 30 MPa.
Sposób wytwarzania części mechanicznych rozdzielanego typu Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób wytwarzania części mechanicznych rozdzielanego typu obejmujący prasowanie i formowanie proszków na bazie żelaza, rozdzielanie z przełomem surowego korpusu, spiekanie części i ponowne ich łączenie, znamienny tym, że najpierw proszek na bazie żelaza poddaje się jednoczesnemu prasowaniu i formowaniu przy użyciu formy zaopatrzonej w pojedynczą matrycę mającą wnęki do kształtowania całkowitego surowego korpusu, następnie surowy korpus poddaje się obróbce mechanicznej, po czym przeprowadza się rozdzielanie z przełomem surowego korpusu na co najmniej dwie części w wyznaczonych powierzchniach podziału, następnie spieka się części i ponownie je łączy na powierzchniach podziału, przy czym stosuje się surowy korpus o wytrzymałości przed spiekaniem wynoszącej co najmniej 20 MPa, korzystnie powyżej 25 MPa, a najkorzystniej powyżej 30 MPa. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prasowanie jest wykonywane przy zastosowaniu techniki prasowania na ciepło. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że prasowanie jest wykonywane w smarowanej matrycy. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proszek metalu zawiera środek zwiększający wytrzymałość przed spiekaniem. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że etap obróbki mechanicznej następuje po etapie spiekania. 6. Sposób zastrz. 1, znamienny tym, że części spieczone poddaje się obróbce cieplnej. * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania części mechanicznych rozdzielanego typu, a mianowicie elementów metalowych z prasowanego proszku, które podczas kolejnych operacji obróbkowych są rozdzielane do postaci oddzielnych części współpracujących parami, spiekane i ewentualnie obrabiane cieplnie. Sposób nadaje się do stosowania w szczególności przy wytwarzaniu korbowodów, lecz obejmuje także swoim zakresem takie dziedziny zastosowania, jak dzielone łożyska ślizgowe, koszyki łożysk i podobne. Korbowody wykonywane były pierwotnie za pomocą odlewania lub kucia osobno nadających się do łączenia części w postaci pokrywki i trzonu. Części te były zwykle wykonywane ze średniowęglowej stali do przeróbki plastycznej i były oddzielnie obrabiane mechanicznie zarówno na powierzchni łączenia jak i na powierzchni naciskowej. Następnie były w nich oddzielnie wiercone otwory do umieszczania elementów złącznych. Pierwszy ewolucyjny krok stanowiło odlewanie bądź kucie korbowodów jako pojedynczego stalowego elementu, a następnie wiercenie otworów do umieszczania elementów złącznych. Ten pojedynczy element był rozpiłowywany w celu otrzymania pokrywki i trzonu, które były zgrubnie obrabiane mechanicznie na powierzchni naciskowej jak i na powierzchni stykowej. Obie części były następnie łączone ze sobą za pomocą śrub w celu obróbki wykańczającej. Osobne operacje obróbki mechanicznej i rozpiłowywania były nie tylko niewygodne i kosztowne, lecz nie zapewniały one także idealnej współpracy pokrywki i korpusu pod działaniem sił roboczych. Przy tych samych warunkach roboczych samoistny luz średnicowy elementu łączącego umożliwiał lekkie przesuwanie pokrywki i korpusu, co z kolei miało wpływ na trwałość łożyska. Następny etap w tej ewolucyjnej zmianie stanowiło rozdzielanie lub rozłupywanie jednoczęściowego korbowodu na części w postaci pokrywki i korpusu w nadziei zapewnienia nie ślizgających się powierzchni, gdzie pokrywka i korpus są łączone ze sobą śrubami. Miano nadzieję, że jeśli te powierzchnie zostaną właściwie ponownie skojarzone, to ponowne skojarzenie zapo-
183 647 3 biegnie jakimkolwiek mikroprzemieszczeniom i zapewni dokładne robocze ustawienie osiowe. W celu rozdzielenia pojedynczego elementu na dwie części był on najpierw poddawany z jednej strony silnemu uderzeniu. Spełniało to wymagania w ograniczonym zakresie z powodu trudności w kontrolowaniu rozchodzenia się pękania, ryzyka odkształcenia plastycznego oraz możliwości uszkodzenia półwyrobu. Dalsze udoskonalenia stanowiły różne metody szybkiego odrywania części od siebie wzdłuż wyraźnie określonego karbu, który może być wykonany za pomocą obróbki mechanicznej, kucia, cięcia za pomocą lasera, itp. Także te sposoby mogą wprowadzać małe plastyczne odkształcenia w powierzchniach rozrywania, które z kolei mogą powodować trudności w dopasowywaniu rozdzielanych części. Wspólną cechę całej produkcji przemysłowej korbowodów stanowi etap obróbki końcowej mającej zapewnić odpowiednie położenie, prostoliniowość i okrągłość otworów w końcach małym i dużym korbowodu w celu przygotowania do zamontowania łożysk lub panewek. W celu rozdzielenia pojedynczego elementu na dwie części był on najpierw poddawany z jednej strony silnemu uderzeniu. Przynosiło to ograniczony sukces z powodu niemożności kontrolowania płaszczyzny pękania oraz możliwości uszkodzenia korbowodu. Nowsze i doskonalsze sposoby rozdzielania są ujawnione na przykład w opisach patentowych Stanów Zjednoczonych nr nr 2 553 935, 3 571 080, 3 993 054 i 4 923 674 (Krebsöge). Przedmiotem niniejszego wynalazku jest nowy sposób wytwarzania elementów wykonywanych za pomocą technologii metalurgii proszków, spiekanych i ponownie łączonych, zasadni - czo bez mikroprzesunięć lub odkształceń plastycznych na powierzchniach pękania. Według wynalazku sposób wytwarzania części mechanicznych rozdzielanego typu obejmujący prasowanie i formowanie proszków na bazie żelaza, rozdzielanie z przełomem surowego korpusu, spiekanie części i ponowne ich łączenie, charakteryzuje się tym, że najpierw proszek na bazie żelaza poddaje się prasowaniu i formowaniu przy użyciu formy zaopatrzonej w pojedynczą matrycę, mającą wnęki do kształtowania całkowitego surowego korpusu, następnie surowy korpus poddaje się wstępnej obróbce mechanicznej, po czym przeprowadza się rozdzielanie z przełomem surowego korpusu na co najmniej dwie części w wyznaczonych powierzchniach podziału, następnie spieka się części i ponownie je łączy na powierzchniach podziału, przy czym stosuje się surowy korpus o wytrzymałości przed spiekaniem wynoszącej co najmniej 20 MPa, korzystnie powyżej 25 MPa, a najkorzystniej powyżej 30 MPa. Według wynalazku prasowanie jest wykonywane korzystnie przy zastosowaniu techniki prasowania na ciepło. Natomiast prasowanie jest wykonywane korzystnie w smarowanej matrycy. Według wynalazku stosuje się proszek metalu korzystnie zawierający środek zwiększający wytrzymałość przed spiekaniem. W korzystnej realizacji wynalazku etap obróbki mechanicznej następuje po etapie spiekania. W kolejnej korzystnej realizacji wynalazku części spieczone poddaje się obróbce cieplnej. Może być także wykonywana ewentualna obróbka części spiekanych, obejmująca takie operacje, jak toczenie i frezowanie. Inny opcjonalny etap, który może być włączony do sposobu według wynalazku, stanowi obróbka cieplna spiekanych części. Proszek na bazie żelaza może być wybrany spośród wielu odmian proszków, takich jak proszki ze wstępnie wytworzonym stopem, proszki z częściowo wstępnie wytworzonym stopem lub mieszanki proszkowe zawierające takie elementy, jak Cu, Ni, Mo, Cr, Mn, C. Decydującą cechą wynalazku jest wytrzymałość przed spiekaniem sprasowanego surowego korpusu, przy czym w celu otrzymania wymaganej wytrzymałości przed spiekaniem można zastosować różne sposoby. Jeden sposób uzyskiwania wysokiej wytrzymałości przed spiekaniem polega na poddawaniu metalowego proszku prasowaniu w podwyższonej temperaturze. Takie prasowanie na ciepło może być przeprowadzane w temperaturze co najmniej 100C, korzystnie co najmniej 120 C, i przy ciśnieniu co najmniej 600 MPa. Inny sposób, który może byś zastosowany do prasowania w temperaturze otoczenia, polega na zastosowaniu smarowanej matrycy. Duża wytrzymałość przed spiekaniem może być także uzyskiwana przy użyciu różnych
4 183 647 dodatków podwyższających wytrzymałość przed spiekaniem, takich jak polimery lub specjalne smary zapewniające wysoką wytrzymałość przed spiekaniem. Dokładna wartość wytrzymałości przed spiekaniem zależy od późniejszej obróbki surowego korpusu. Na ogół, można ocenić, że surowy korpus powinien mieć wytrzymałość przed spiekaniem wynosząca co najmniej 20 MPa, korzystnie co najmniej 25 MPa, a najkorzystniej co najmniej 30 MPa. Przy produkcji zautomatyzowanej może być wymagana nawet wyższa wytrzymałość przed spiekaniem. Surowe korpusy mające wytrzymałość przed spiekaniem o takich wartościach mogą być łatwo i w sposób oszczędny pod względem ekonomicznym obrabiane mechanicznie do żądanego kształtu. Ważną cechą wynalazku jest to, że wysoka wytrzymałość przed spiekaniem umożliwia obróbkę mechaniczną przed spiekaniem surowego całego korpusu. Ponieważ obróbka mechaniczna może być z łatwością wykonywana w stanie surowym, wiec mogą być stosowane materiały, które nie mogą być wiercone/gwintowane w stanie wykończonym. Inną zaletą dokonywania takiej obróbki mechanicznej w stanie surowym jest to, że ułatwiona jest dalsza obróbka części spieczonych dla ostatecznego zastosowania części mechanicznej typu dzielonego. Oznacza to, że zostały wyeliminowane oddzielne etapy dla uzyskania odkształcenia plastycznego części spiekanych proponowane w europejskiej publikacji patentowej nr 696 688. Oprócz wymienionych powyżej zalet, stwierdzono, że rozdzielanie może być dokonywane przy użyciu małych sił, z czego wynika, że może być zastosowany prosty przyrząd do rozdzielania z przełomem. Przykład takiego przyrządu nadającego się do rozdzielania dużego końca kor bowodu składa się z dwóch ukształtowanych półkoliście połówek pasujących razem do otworu dużego końca i z klina umieszczonego w otworze utworzonym z dwóch połówek. Gdy klin jest wciskany w osiowym kierunku do otworu dużego końca obie części korbowodu mogą być łatwo rozdzielone w kontrolowanych warunkach i przy bardzo małym odkształceniu. Ryzyko, że utworzone zostaną podwójne pęknięcia w płaszczyźnie rozdziału, jest bardzo małe. Spiekanie składników materiału korbowodu może być prowadzone przy temperaturze 1080 C do 1300 C, korzystnie pomiędzy 1100 C do 1150 C przez okresy czasu wynoszące 15 do 90 minut, korzystnie 20 do 60 minut. Przykładami atmosfery redukującej są zwykła atmosfera endotermiczna lub różne mieszaniny wodoru/azotu. Opcjonalnie części spiekane mogą być poddawane obróbce cieplnej, takiej jak hartowanie na wskroś lub hartowanie powierzchniowe. Obróbka cieplna jest dobierana przy uwzględnieniu ostatecznego stosowania części spiekanych. Dokładne ponowne połączenie uzyskane za pomocą sposobu według wynalazku i zapobieganie mikroprzesunięciom wynika z faktu, że nierówność powierzchni rozdziału jest równa wielkości cząstek proszku. Proszki metali są obecnie stosowane w sposobach wykonywania korbowodów silników samochodowych za pomocą konwencjonalnego kucia, lecz zgodnie z tymi sposobami stosowana jest kombinacja metalurgii proszków i kucia. Uważa się, że sposoby te poprawiają kontrolowanie ciężaru i zapewniają znaczną poprawę w dziedzinie kontroli wymiarowej. Kombinacja ta stała się przedmiotem dużego zainteresowania ze strony przemysłu samochodowego. Ogólnie biorąc, taki proces kucia z zastosowaniem proszków zaczyna się od mieszania luźnych proszków metali do żądanego składu. Następnie wykonuje się na standardowej prasie do wyprasek przedkuwkę o ogólnym kształcie korbowodu. Surowa przedkuwka jest spiekana w atmosferze redukującej i przenoszona bezpośrednio do prasy kuźniczej. Kucie jest wykonywane w pojedynczym skoku, który także całkowicie kształtuje zarówno otwory dla trzpieni jak i dla wykorbień. Dodatkowe operacje mogą obejmować szlifowanie dwutarczowe, i kulowanie, zależnie od rodzaju procesu kucia. Inny sposób, który został zaproponowany do wykonywania korbowodów z proszków metali obejmuje prasowanie, wstępne spiekanie, obróbkę mechaniczną, przełamywanie i ostateczne spiekanie. Sposób według niniejszego wynalazku, który eliminuje odpowiednio etapy kucia i wstępnego spiekania, jest nowy także pod tym względem.
183 647 5 Wynalazek jest ponadto przedstawiony za pomocą poniższego nieograniczającego przykładu mającego stanowić symulację powierzchni łączącej dużego końca korbowodu. Wynalazek jest dodatkowo przedstawiony za pomocą poniższego nieograniczającego przykładu. Oparty na żelazie proszek zawierający miedź, nikiel i molibden częściowo wstępnie stapiany (Distaloy AE +0,8 C dostarczany przez Hóganas AB, Szwecja) był prasowany na gorąco w temperaturze 130 i przy nacisku prasowania 700 MPa do uzyskania surowego korpusu w postaci pręta o wymiarach 30x12x10 mm, mającego gęstość 7,34 g/cm3 i wytrzymałość przed spiekaniem wynoszącą45 do 50 MPa. Został wywiercony otwór przejściowy do połowy długości pręta i wywiercony został otwór przelotowy dla nacięcia gwintu na pozostałej części długości pręta. Otwór przelotowy został wyposażony w gwint M 6x1 i pręt został rozdzielony z przełomem na dwie części za pomocą zginania. Części te były spiekane przez 30 minut w temperaturze 1120C w atmosferze endotermicznej. Części zostały połączone i gwint poddany został badaniu, podczas którego stwierdzono, że nacięty na surowo i spiekany gwint może mieć taka samą jakość, jeśli chodzi o tolerancje i wytrzymałość, jak gwint w standardowej nakrętce. Poniższa tabela ukazuje siłę na śrubie przy różnych wartościach momentu dla korpusu gwintowanego na surowo i dla standardowej nakrętki (ozn. 1 i 2). Rozdzielanie w stanie surowym dało międzycząsteczkowy przełom, którego wynikiem są szorstkie, nierówne powierzchnie, które pozostały po spiekaniu. Nie zaobserwowano żadnego plastycznego odkształcenia na powierzchniach przełomu i ponowne połączenie części dało pasowanie suwliwe, przy czym części nie były w stanie przesuwać się względem siebie. Otwór przelotowy został nagwintowany i pręt został rozdzielony z przełomem na dwie części za pomocą zginania. Części te były przez 30 minut spiekane w temperaturze 1120C w atmosferze endotermicznej. Gwint został poddany badaniu i stwierdzono, że nacięty w stanie surowym gwint był całkiem podobny do gwintu standardowej nakrętki. Poniższa tabela ukazuje siły na śrubie przy różnych wartościach momentu dla gwintu naciętego w stanie surowym i dla standardowej nakrętki. Tabela Siły (kn) przy różnych momentach (Nm) Momenty Próbka 7,5 10 15 20 1 6 7,4 11 15 2 6,6 8,2 11,6 14,6 3 6 7,4 11 14,9 4 6,6 8,4 11,8 16 5 6,8 8,7 11,7 15,3 Ozn. 1* 7,4 8,7 11,8 15,2 Ozn. 2* 6,4 8,7 12,3 16,3 * Ozn. 1i 2 - standardowe nakrętki Rozdzielanie w stanie surowym spowodowało przełomy międzycząsteczkowe, których wynikiem są szorstkie, nierówne powierzchnie, które pozostały po spiekaniu. Ponowne połączenie części dało połączenie suwliwe, przy czym części te nie są w stanie przesuwać się względem siebie. Chociaż opisany sposób według wynalazku jest przeznaczony do wytwarzania korbowo dów, to oczywiste jest dla specjalisty w tej dziedzinie, że może on być stosowany także do innych przedmiotów, takich jak dzielone łożyska ślizgowe, koszyki łożysk, itp., gdzie decydujące znaczenie ma łatwość wykonywania obróbki mechanicznej i dokładne połączenie.
183 647 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.