一种内部具有螺旋形孔隙的烧结金属坯件的制造方法与装置

摘要

本发明涉及用于制造一种由塑性材料组成的、基本上为圆柱形的物体,尤其是烧结金属坯件的方法,该物体具有至少一个在其内部延伸的螺旋形内孔隙。将物体首先制成、例如挤压成具有一基本上直线式延伸的内孔隙。随后将按一定长度切下的物体沿其全长支承在一底垫上而借助于一摩擦面装置使之进行一滚动运动,其速度沿物体的长度线性地连续改变。因此物体受到均匀地扭转。

说明书

本发明涉及按照权利要求1或权利要求12的前序部分所述的制造一种由塑性材料组成的、基本上为圆柱形的物体，尤其是烧结金属坯件的方法和装置，该物体具有至少一个在其内部延伸的螺旋形内孔隙。此外，本发明涉及一种用本发明的方法制造的烧结杆。

这样的物体尤其是在制造由硬质合金或陶瓷材料构成的钻孔工具或钻孔工具的嵌件时是必需的。通过至少一个内孔隙的螺旋形延伸，可以给钻孔工具设置螺旋形的排屑槽，这常常对于提供良好的切削性能和排屑性能是有利的并且因此是所力求的，其中内孔隙在制成的钻孔工具中用作向切削区域输送冷却剂或润滑剂。

人们很早就已尝试过以挤压方法制造这样的烧结金属坯件或陶瓷坯件，其中将由烧结金属粉末或陶瓷粉末和粘结剂组成的材料通过一挤压喷嘴(Pressduese)挤压，该挤压喷嘴具有相当于要力求的坯件横截面之横截面并具有至少一个在内部的销式芯子，其在挤压塑化的材料的过程中用作形成沿整个坯件延伸的内孔隙。

由挤压喷嘴排出的材料通常对压力是很敏感的，即排出的坯件在受外力作用时极易变形。因为这样的变形不再可逆并因而导致至少部分的不能用的坯件，人们曾尝试进一步开发这种挤压方法，使坯件在从挤压喷嘴排出时已经具有螺旋形延伸的冷却通道。按照一个建议，该目的这样来达到，即在挤压喷嘴的内圆周安装螺旋形延伸的导向板条，其对排出的塑性材料施加一螺旋运动。具有与待制造的内孔隙横截面相应的横截面之柔性螺纹固定于挤压喷嘴的横截面内，其中各螺纹一直延伸到喷嘴头的出口。由于螺纹的柔性，其可以顺应塑性材料的螺旋运动或螺旋流动，从而在坯件中可以制造出至少一个位于内部的冷却通道。

按照另一建议，使喷嘴头和/或螺旋桨式成形的轮毂在挤压过程中旋转，其上固定上述的柔性的或易弯曲的螺纹，而借此可以制造出具有位于内部的螺旋形通道或孔隙的外面光滑的坯件。

在制造这样的工具坯件时问题在于，至少一个螺旋形内孔隙的导程角沿坯件的全长保持常数并且保持在很小的允差范围内。这是必需的，因为在烧结工序以后的工具坯件中照例要磨出排屑槽。这样的磨削用相当大程度的自动化机械来完成，从而在不精确制造的螺旋形内孔隙的情况下可能产生难以控制的高废品率。在这种情况下必须要考虑采用具有完全硬质合金切削部分的工具，因为必须利用材料的高承载能力，尤其是扭转刚度。为了确保这一点，内孔隙必须不过于靠近排屑槽，然而这在不精确制造的螺旋形内孔隙的情况下是不可能有效地排除的。因此在上述装置的情况下为了制造具有内部的螺旋形孔隙的坯件，在挤压过程中必须尽可能精确地检测用于挤压蜗杆或(如果存在)螺旋成形体的挤压工具和/或烧结装置并且使之适合于材料通过能力。这导致这样的结果，即需要对挤压工具花费较长的改装和调整时间，其结果是传统的方法在经济性上主要应用于大批生产。对于小批生产或对于制造较大公称直径的钻孔工具产生不成比例的高机械调整成本，因此对该制造方法的经济性提出了疑问。

因此本发明的目的在于，提供一种上述类型的方法和装置，利用该方法和装置可以更经济地和如以前一样以更高的精度制造出开头所述类型的坯件或一批坯件。

这个目的在方法上通过权利要求1的特征而在装置上通过权利要求12的特征来达到。

按照本发明，坯件如以前一样用挤压方法来制造，这种方法由于高的可能的生产率而以高的经济性著称。挤压这样来完成，即成直线式挤压出至少一个在内部的孔隙，其优点是，挤压的生产参数，即挤压速度和材料通过能力等不再影响内部孔隙的延伸。接着将一具有基本上直线式内孔隙的挤压成的物体切到一预定的长度，即定长度切割并在定长度切成的状态下经受一特定的变形工序，其根据沿全长夹住挤压成的杆的滚动运动原理进行的。在这种情况下该装置设置成这样，即滚动运动的速度沿挤压成的杆或物体的长度线性地连续改变，其中通过滚动运动速度分布的梯度来确定螺旋形延伸的内孔隙的斜度。利用本发明的方法，挤压成的物体被沿其全长并在保持有利的、即连续的支承关系下均匀地扭转，同时由于此时发生的滚动运动而产生坯件横截面的极小的变形。在这种情况下挤压成的挤压材料的硬度(Konsistenz)对按照本发明的装置是有利的。挤压成的挤压材料照例具有胶粘的硬度，从而通过摩擦面装置确保挤压成的坯件的外表面在相当大的程度上不打滑地传动。因此可以将至少一个在内部的螺旋形孔隙的延伸的精度保持在一特别高的水平。

在从属权利要求中描述了具有螺旋形内孔隙的基本上圆柱形的坯件或物体之制造方法和装置的有利的实施形式。

已经表明，利用坯件沿一条直线的支承已可实现制造至少一个螺旋形冷却通道而没有坯件横截面的不许可的大的变形。用于实施这种方法上的进一步结构的特别简单的装置是权利要求13和14的内容。一种这样的装置只需要一底垫面和一与其平行的绕垂直于该底垫面的轴线可转动地支承的平面。借助于底垫面与摩擦面装置之间的相对转角的绝对值可以确定至少一个螺旋形内孔隙的导程。该导程直接正比例于转角的大小。

利用按照权利要求4或15的方法和装置的进一步结构，挤压成的坯件在扭转时变形可以保持在更窄的范围内。挤压成的坯件在扭转时的支承优选以基本上为180°的包角来实现，其中在这种情况下重力决定的外力可以保持为最小。利用按照权利要求17的进一步结构的装置可以得到特别简单的具有最少部件的装置结构并同时得到变形敏感的挤压成的坯件的特别优良的支承。因此该装置特别适合于具有高的塑化剂组分的挤压材料。

由于坯件在扭转过程中倾向于缩短，如果由薄膜材料或纺织材料构成的表面由许多轴向沿物体的轴线相互靠近排列的部分表面组成，并在它们之间分别设置一间隙的话，则是有利的。借此薄膜材料或纺织材料可以随同坯件杆一起缩短而没有过度的力作用到坯件上，这进一步有利于至少一个在内部的冷却通道的制造精度。

如果驱动装置按照权利要求21连接于薄膜材料或纺织材料的侧边缘，则给驱动装置的设计形成一较大的空间。通过适当地选择薄膜材料或纺织材料或相应的织物的长度可以将驱动装置设置在织物弯曲的上方，即在待变形的坯件上方的任何区域。因此给设计者留下安置驱动装置的许多可能性。

已表明在采用一连接于侧边缘的织物的情况下，为了沿全长均匀地扭转挤压成的坯件，四个连接于各角的上升和下降驱动装置是足够的。优选步进电机用作驱动装置，其最好是程序控制的。因此可以用简单的方式调整变形，例如与待制造的钻孔工具的各种不同的公称直径相匹配，其中只需要极少的改装费用。

其他有利的实施形式是其余的从属权利要求的内容。

以下借助于示意的附图更详细地说明本发明的多个实施例。其中：

图1为一由塑性材料构成的、具有一个在内部的螺旋形孔隙的烧结金属坯件之制造装置的第一实施形式的俯视图；

图2为沿图1中方向II的视图；

图3为相应于图1的视图中在挤压成的坯件扭转以后的装置；

图4A为一设有至少一个在内部的螺旋形孔隙的烧结金属坯件之另一制造装置处于预备阶段时的示意视图；

图4B为按照图4A的装置处于第二预备阶段时的视图；

图5为按照图4A或图4B的装置在坯件的扭转过程以前的透视图；

图6为装置在扭转过程以后的相应于图5的视图；

图7为一由塑性材料构成的、具有一个在物体内部延伸的螺旋形内孔隙的基本上圆柱形的烧结金属坯件之制造装置的第三实施形式类似于图5的视图；

图8为变更的烧结金属坯件横截面图；

图9示意地示出糊状烧结材料的挤压；

图10为挤压成的糊状烧结材料的正视图；

图11为扭转装置的侧视图；

图12为图11的扭转装置的俯视图；

图13示出制造方法的部分方法流程；

图14为一烧结杆的侧视图；

图15示出图14的烧结杆的横截面；以及

图16为从前面看的图15的烧结杆。

在图1至3中用标记10表示一个切到一预定长度L^*的，即定长度切割的烧结金属坯件，其例如由一种硬质合金粉末与混入的粘结剂或胶粘剂组成。该烧结金属坯件例如用挤压方法制造，而且使其具有一直线式的和连续的在图中以点划线表示的内孔隙12，该内孔隙平行于圆柱形坯件10的中心轴线14延伸。

烧结金属坯件的制造优选用挤压方法借助于一具有合适的芯子的挤压喷嘴来实现。坯件10具有比较软的硬度，因此必须很小心地进行操作，例如传送，以便防止不可逆的变形。因此，优选将坯件在由挤压喷嘴排出以后直接导至一气垫上并传送到图中所示的底垫16上，该底垫16在图1和3中与图示平面重合。由于挤压材料的硬度，坯件在其外面是胶粘的，从而其与底垫面16产生良好的粘附。

为了使坯件10这样变形，即将按照图1或2的直线式内孔隙变形成一螺旋形孔隙，采取以下设置：

平行于平面底垫面16在垂直间距AV处设置一具有底面的摩擦面20的扇形盘18。扇形盘18可绕一轴线22旋转，轴线22垂直于底垫16的上表面或垂直于摩擦面。表面16与20之间的垂直间距AV优选是可调的，这由图2中的双箭头V指示。该垂直间距AV等于坯件10的直径D。

如图1中所示，将坯件10这样放置在底垫16上，即使其纵轴线14与扇形盘18的旋转轴线22相交。随后，将扇形盘有控制地下降使其沿一条线相切于坯件10，该直线相对于坯件10与底垫16的底面接触线径向错移。这样的定位示于图1和2中。

现在使扇形盘18以角速度ω旋转。通过扇形盘18的表面20与坯件10之间的摩擦接触坯件被带动而在底垫16的表面上以一个速度滚动，该速度沿坯件10的轴线线性地连续改变。坯件10在内端的滚动速度以VWI表示而在其外端的滚动速度以VWA表示。因此在扇形盘18转过一确定的转角时，沿杆形坯件10产生一线性分布的滚动路程，其结果是圆柱形坯件10在滚动运动过程中被扭转，而且以这样的方式，即产生一扭转的导程角并从而产生一螺旋形内孔隙12的导程角，其直接正比例于转角。

优选地，扇形盘18以尽可能小的支承力与杆形坯件10保持接触，特别在整个的扭转过程中，亦即在整个的旋转转角(见图3)的过程中是如此。其中采用压力传感器来操作会是有利的，该压力传感器作用在未更详细示出的扇形盘18的上升和下降装置上。

由以上描述明显的是，在第一实施形式中在扭转过程中存在着烧结金属坯件10的一个直线支承。以下描述一实施形式，其中在扭转过程中产生面式支承。对此参阅图4-6。

按照第二实施形式，扭转装置基本上由一易弯的或柔性的薄膜材料或纺织材料26构成，首先将其平放在一底垫28上。随后将例如挤压成的塑性坯件10放置在薄膜材料或纺织材料26上，而该坯件10设有直线式内孔隙12。现在如图4A中箭头H所示将侧边缘30A和30B向上卷起，以使其处于按照图4B的状态。此时薄膜材料或纺织材料26沿约为180°的包角β包卷坯件10，其中纺织材料26可以用最简单的构造形式构成为织物。从而坯件10悬挂于织物26中，该织物26呈“U”形。

驱动装置32A和32B作用于织物26的端部30A和30B，以下将参照图5和6对其更详细地加以描述：

两个以上升和下降驱动方式的驱动装置设置在织物26的每一侧，它们用32AV和32AH或用32BV和32BH表示。该驱动装置位于织物或薄膜材料或纺织材料26的各角处。现在这样来进行驱动，即使得织物26的相邻角以相反的方向下降或上升，如图5中箭头H和S所示。由于坯件10悬挂于织物26中，在这种情况下也可以借助于坯件10的重力使其进行滚动运动，其滚动量沿坯件10的长度线性地连续改变。该装置优选这样来设置，即使得在坯件10的中点M的滚动运动为零。通过以下方式产生滚动运动，即在坯件10的下面由织物26形成的底垫这样移开，使其在底垫26与坯件10之间的位移大小沿坯件10的长度遵循线性分布。换言之，通过上述的薄膜材料或纺织材料26的驱动运动产生这样的效果，即在一垂直于坯件10的纵轴线14的平面中来考虑，织物26相对于坯件10的切向运动沿其纵轴线14为线性变化，其中在所示的实施例中该切向运动在坯件10的中点M处为零。

图6示出在完成扭转以后扭转装置和坯件10的状态。织物26的前左角和后右角是升起的，而另外两角被下降。图5中用直线表示的内部的通道12扭转成按图6的状态中的螺旋形的。扭转的程度由按照箭头H和S的上升或下降运动的程度确定。优选地，对于在薄膜材料或纺织材料26的各角的上升和下降驱动采用步进电机，其按适当方式受程序控制，以便可以实现迅速匹配于在制造坯件时要遵守的各种不同的参数。

由于坯件10在扭转时倾向于缩短，将薄膜材料或纺织材料这样构造，如图5和6中所示，使其可以随同一起缩短而没有大的反力作用到物体10上。为此，在薄膜材料或纺织材料26中设置许多轴向错开的切缝34，而且仍然保持相连接的侧边缘30A和30B。这些切缝34因此能够使薄膜材料或纺织材料不受反力地收缩，如图6中所示，借此可有效地排除不希望的坯件10的变形并从而排除尺寸偏差。

图7中示出用于扭转制有直线式内孔隙的烧结金属坯件10之装置的变型方案。不同于按照图5和6的实施形式，这里采用许多轴向间隔开相互排列的带条36，给它们分别配设一个上升或下降装置形式的单独驱动。带条36的驱动类似于图5和6的实施形式这样来实现，即使得其产生沿坯件10的线性运动分布。这样的运动分布在图7中由箭头H1至H5或S1至S5表示。

不同于以上所述的各实施例，显然能够对其进行改动，而并不脱离本发明的基本构想。因此显然也可以采用其他的驱动装置，只要能达到以上所述的效果即可。并且在图1中所示的实例中也可以将杆10装置成使杆端通过旋转中心22以外，此时则设置一圆盘作为部件18。坯件也可以具有不同的横截面形状，尤其是其也可以具有稍微偏离于圆形的横截面形状。虽然所述的各实施形式示出的是只具有一个内孔隙的坯件10，显然其也可以设置多个不同形式的内孔隙。图8示出一可能的具有两个内孔隙112的横截面形状，该内孔隙112在以后的工具中将构成向切削区域输送冷却剂或润滑剂的通道。用标记114表示横截面较大的内孔隙，将其设置成位于用点划线表示的、以后要磨削的排屑槽116的轮廓内。在该结构中可以节省硬质合金并且在磨削出排屑槽116时使切去的体积保持较小。在内孔隙114的径向外部仍保留足够的材料，以便在坯件110的滚动过程中保持足够大的变形阻力而排除不可逆的变形。

显然，在只须修正在挤压成的烧结金属坯件中的内部冷却通道的走向时也可以采用以上所述的方法及其适合的装置，其性能也不限于处理由硬质合金或陶瓷构成的坯件，其可应用于任何具有塑性硬度并因此具有很高的变形敏感性的材料。最后，包角β也不需要是180°。也可以设想用显著较小的包角来操作。在这种情况下其只需要部分地包卷物体的柔性表面来操作并给予相应的驱动。

因此本发明提供一种方法和装置用以制造一由塑性材料构成的、基本上圆柱形的物体，特别是一烧结金属坯件，其具有至少一个在物体内部延伸的螺旋形内孔隙。为了避免在更换一生产批量时过多的改装费用，首先将具有塑性硬度的物体制成、优选挤压成具有一个基本上直线式延伸的内孔隙。随后将该物体切到一确定的长度并最后将其沿其全长支承在一底垫上而借助于摩擦面装置使其进行滚动运动，其速度沿物体的长度线性地连续改变，以便物体受到均匀的扭转。

借助于以下各图描述本发明的另一实施例，其中内孔隙或通道的横截面不是圆形的。

按照图9，糊状烧结材料41通过一示意地示出的挤压头42挤压。糊状烧结材料41由钢粉末、硬质合金粉末或陶瓷粉末组成，并掺有粘结剂。挤压沿挤压方向x以基本上不变的挤压速度V纯直线式地进行。当挤压成的烧结材料段41达到一够用的长度l时，借助于一刀具43将其定长度切下。其中可以选择性地人工或自动完成这种定长度切割。

在挤压头42中固定用虚线表示的成型体44。按图9，在这种情况下存在两个成型体44。但也可以存在更多的或更少的成型体44。借助于成型体44在挤压过程中在烧结材料41内产生通道45。各通道45平行于且偏心于杆轴线46延伸。该杆轴线46是挤压成的烧结材料41的重心轴线。

按照图10通道45具有非圆形的通道横截面。其按照该实施例是例如三角形的。并且其具有外边缘47和纵轴线47＇。外边缘47和纵轴线47＇均不同心于杆轴线46延伸。显然各通道45制成相同的并相对于杆轴线偏置一转角地设置。该转角在这种情况下由通道45的数目均分360°得到。因此在该情况下转角为180°。

烧结材料41在定长度切下以后仍容易塑性变形。因此按照图11将其放置在平面底垫48上，而且使其位于径向向着转盘50的旋转轴线49的方向。然后，同样参见图12，将转盘50下降到定长度切下的烧结材料41上并且旋转一个转角。因此挤压成的烧结材料41沿杆长度l以一不变的扭力被扭转。

然后，参见图13，将扭转过的烧结材料41送入干燥炉51并在那里加以干燥。之后借助于一砂轮52在干燥过的烧结材料41中制出排屑槽53。因此，在杆横截面中可看出在各排屑槽53之间形成杆区界(Stabfeld)54。然后将这样初步加工的烧结材料41送到一烧结炉55，并在其中烧结成烧结杆41＇。

在烧结炉55的后面设置另一砂轮52＇。利用该砂轮52＇对排屑槽53进行精加工。或者也可能只利用砂轮52＇在已烧结好的烧结杆41＇中制出排屑槽53。但优选在烧结以前利用砂轮52制出排屑槽53，因为在这时烧结材料41还比较容易加工。

图14现在示出烧结杆41＇在其进一步加工成一钻头坯件以后的侧视图。显然其具有两个排屑槽53，该排屑槽53绕杆轴线46螺旋式延伸。

图15现在示出沿图14中的虚线中之一截取的横截面。该横截面总是相同的。显然，因此排屑槽53在干燥过的烧结材料41或烧结杆41＇中可以这样制成，即各通道45在杆横截面中基本上平行于到排屑槽53的边界延伸。此外，由于横截面与其所取的位置无关，各通道45也必须以不变的导程螺旋式绕杆轴线46延伸。通道横截面相对于按照图10所示保持不变。因此它们也是三角形的，也就是说不是圆形的。此外，其外边缘47和纵轴线47＇均不同心于杆轴线46延伸。

显然钻头坯件41＇具有两个排屑槽53和两个设置在各排屑槽53之间的杆区界54。钻头坯件41＇对每一杆区界54具有一个通道45。其中两通道45显然构造成相同的。

图16现在示出钻头坯件41＇的前视图，亦即由按照图14的箭头方向观察。按照图16，钻头坯件41＇在其尖端具有两个刀刃56。此外，各通道45在横截面中基本上平行于刀刃56延伸。更确切地说：它们的侧边缘57基本上平行于刀刃56延伸。

根据本发明，各通道45的形状相对于现有技术具有加大的通道横截面。因此可达到通过各通道45的更高的介质通过能力。此外，各刀刃56在工作中差不多沿全长作用在介质上。因而钻头的冷却、润滑和钻削的排屑是最佳的。