将粉末或颗粒材料加工成压制品的冲压工艺和设备可用于许多产品。先 形成未烧结压制品，然后烧结，以用于各种工具制品和磁铁。用在工具行业 中的粉末和颗粒材料的种类有金属、半金属、陶瓷、金属陶瓷以及其它材料。 已用已有技术的模压机冲压装有粉末材料的模腔中的冲模，以形成具有所需 密度的压制品。然后，将未烧结压制品烧结成例如本领域所熟知的成品工具。 用这种方法制成的工具的典型种类有切割刀片和砂轮。名称为“冲压设备” 的美国专利第5,566,373号公开了一种制造诸如未烧结压制品的粉末冶金制 品的冲压方法和设备。该专利还提供了压制品的机械和液压冲压的背景。还 设想了振动方法和设备来制造诸如在名称为“制造成型体的方法”的美国专 利号4,105,729和名称为“将颗粒制成成型制品的方法和设备”的美国专利 号4,456,574中的压制品。后者是这样将颗粒做成成型的初加工成品的，将 松散的颗粒限制在一成型封闭体中，该封闭体具有至少一个活动侧，使该物 质每一颗粒和至少一部分模具承受至少25至50重力加速度、最好在500至 5000重力加速度范围或更大数值的加速度，以在每一颗粒上产生使这颗粒 碰撞相邻颗粒并形成一均匀熔融制品的力。通过迅速撞击模具的活动部分， 并通常在振荡台与一调整到与振荡台异相振荡的弱阻尼气动系统之间的垂直 方向，向模具内含物的显著位移的相对两端提供加速度。该工艺与本发明相 比，本发明通过模具冲头的压实基本上将所有的动能传递到冲模内的颗粒物 质中，而冲模保持不动并可避免振动。
名称为“动力加载固体材料或固体材料粉末”的美国专利4,770,849 公开了一种冲压方法和设备，它用引射的活塞冲击在一合适支承件中的固体 材料，对此材料进行动态加载。一用作引入阻抗不匹配的材料体的冲头插在 活塞与材料之间。
已有技术的压实和冲压方法具有若干缺陷。有些使用很重的昂贵的冲压 机进行操作。这些方法会使压制品变形，密度不均匀，这两种现象导致诸如 分层结构的缺陷。大的压力会使冲模迅速磨损，使冲模寿命缩短。因此，就 非常希望用比已有技术中已经公开的小的压力来生产密度比较均匀的未烧结 压制品。
传统的方法是将冲头面放置在冲头顶部，以提供将要形成在未烧结压制 品表面上的“阴的”或阴的凹凸压痕表面，诸如切削工具刀片的槽和凸起成 角的表面。冲头一般是一具有铜焊在适当位置的硬质合金端部的钢柄。然后 磨削或电铸和抛光硬质合金端部，以形成阴凹凸压痕表面。用价廉的塑料端 部可进行少量生产，约1000个刀片或更少的刀片。使硬质合金端部成型是 一个慢的困难的并因此是昂贵的过程。塑料端部容易成型并最终形成，但由 于塑料材料是如此的软，使得端部不能在传统的或标准的冲压所需的高负荷 下很好地坚持下去。一个硬质合金端部一般可持续生产数万个刀片，而一个 塑料端部一般生产不足一千个就磨损坏了。因此，很希望有一种能延长塑料 端部使用寿命的机器和工艺，并用塑料端部长期生产比传统机器多的未烧结 压制品，工艺也是能在已有技术中找得到的。
发明概要
本发明提供一种用松散颗粒材料生产固体制品的工艺和设备，尤其是用 在在烧结工艺中使用的未烧结压制品的生产。工艺包括将大量松散的颗粒材 料装入冲模中的空腔中形成腔料，这冲模具是成套模具的一部分，这套模具 至少包括一第一模具冲头。将第一模具冲头可操作地设置成在空腔内滑动， 使得他局限于在空腔内沿一线性方向往复移动，至少其一部分与冲模一起在 空腔内构成一封闭容积。工艺进一步包括朝着空腔内的腔料对第一模具冲头 预加载，将一循环往复冲击力沿线性方向施加于第一模具冲头，同时保持冲 模被固定，这样基本上防止冲击力的衰减。
工艺进一步包括将大量松散的颗粒材料装入第一充模冲头与一第二充模 冲头之间的空腔中，将第二充模冲头可操作地设置成在空腔内滑动，使得该 第二模具冲头局限于在空腔内沿一线性方向往复运动，朝着空腔内的腔料对 第二模具冲头预加载，并沿线性方向同时将第一循环往复冲击力施加于第一 模具冲头，将第二循环往复冲击力施加于第二模具冲头，同时保持冲模被固 定，这样防止冲击力的衰减。第一和第二循环往复冲击力可基本上相等，并 且可不同步或基本同步地施加。工艺可以还包括使用第一和第二往复移动锤 通过冲击施加第一和第二往复冲击力分别将动能给予第一和第二模具冲头。 工艺可以还包括在不超过几秒的数量级的时间中施加往复冲击力。本发明的 一更特定的实施例施加频率约为每秒30周的往复冲击力，时间长达一秒钟。
本设备包括一成套模具，成套模具有一其中有空腔的冲模和至少一个安 装在设备中的第一模具冲头，使该冲头可操作地设置成能在空腔内滑动。第 一模具冲头的至少一部分与冲模一起在空腔内构成封闭的容积，以容纳颗粒 材料的腔料。设置一运动限制装置，将第一模具冲头限制在空腔内进行线性 往复移动。用一第一预加载装置朝着腔料对第一模具冲头预加载，用一固定 装置在冲压过程中保持冲模被固定。用一第一运动装置将第一循环往复冲击 力施加到第一模具冲头上。
设备的一更特定实施例包括一安装在设备中的第二模具冲头，使该冲头 可操作地设置成能在空腔内滑动，这样，第一和第二模具冲头与冲模一起构 成封闭的容积，并提供运动限制装置，将第一和第二模具冲头限制在空腔内 进行线性往复移动。该实施例包括一朝着腔料对第二模具冲头预加载的第二 预加载装置，和一将第二循环往复冲击力施加到第二模具冲头上的第二运动 装置。
第一和第二运动装置可以是流体动力驱动的装置，或更具体地讲是气动 致动器(例如气锤)。还可用电动装置作为本发明的运动装置(例如机电线 性致动器，包括称为“音圈”致动器的那些)。最好用控制装置来不同步或 同步地操作第一和第二运动装置。
优点
本发明胜过已有技术，因为它提供较好的密度均匀的压制品、加工时间 短、所用的机器比已有技术小而便宜。另一优点是本发明能够生产其边缘几 乎没毛刺的未烧结压制品，因此不需要机加工或精加工。由本发明制造的未 烧结压制品的强度比用已有技术的方法和机器加工的要强，因此，在后续的 处理中极少有诸如撞坏和碎裂的损坏。由于本发明的废料率低了，因此从成 本角度看这也是有利的。
本发明胜于已有技术是由于它提供的未烧结压制品在压实之后极少有回 弹，因此，比较容易从冲模中取出或推出未烧结压制品，而且极少有损坏， 废料率低。比较均匀的密度提供了又一个优点，这种优点能将本发明的未烧 结压制品加工成变形极小的烧结制品。与已有技术相比，本发明的另一个更 特别的优点是使切削工具刀片的未烧结压制品具有较深的和较好的断屑槽以 及其它表面特征。
本发明的另一优点是它能用塑料端部作为冲头来代替昂贵的端部(例如 硬质合金端部)。本发明使所有的冲头面和包括塑料端部的模具的寿命延长 了许多。这种寿命的延长使塑料冲头面能够用于全部的生产中。这样可能使 使用寿命差不多增加十倍(例如，可能从目前的约1000个刀片增加到用便 宜的塑料冲头面加工的约10,000个刀片)。对于许多应用场合，本发明完 全可以替代昂贵的耗时的硬质合金面，这样，工具费用方面有了节省。
附图简要说明
图1是一示意图，它示出了本发明第一实施例的采用机电冲压设备的压 制机；
图1A是用于图1机器的成套模具的放大视图；
图1B是用于图1机器的机电冲压设备的放大视图；
图2是一立体图，它示出了根据本发明生产的一切削工具刀片的未烧结 压制品；
图2A是沿图2的线2A一2A截取的刀片的剖视图；
图2B是一立体图，它示出了用在图1机器中的塑料尖端的模具冲头；
图3是一示意图，它示出了本发明第二实施例的采用气锤冲压设备的压 制机；
图3A是用于图3机器中的一套砂轮模具的放大视图；
图3B是一立体图，它示出了用图3的设备根据本发明生产的一砂轮的未 烧结压制品。
发明说明
图1、1A和1B所示的是一至少有一个第一或上冲压装置10的压制机5， 冲压装置10有安装在模具固定横构件(die fixturing cross member)22中 的成套模具20，而横构件22牢固地安装于压制机5的机架24的立柱23上。 上冲压装置10是可用来通过本发明的冲压工艺形成一压制品的装置的一个 实施例。成套模具20有一固定地安装于固定横构件22的冲模26以及至少 一可操作设置的上模冲头28，上模冲头在冲模的线性空腔34内滑动，使得 上模的至少一部分与冲模一起在空腔内构成一封闭的容积29，以接收和包 含大量要被压实的颗粒材料的腔料30。冲模26有一包围空腔34的光滑直 线内壁32，空腔34部分形成在成套模具20中的封闭容积29。光滑直线内 壁32和相似的直线空腔34提供一动作限制装置，将上模冲头限制在空腔34 内以直线往复方向A沿机器轴线36进行直线往复运动。冲模固定横构件22 提供一在冲压过程中固定冲模26的固定装置。
通过一安装在顶部横构件42上的气动上预加载致动器40提供使上模冲 头28对质量或腔料30预加载的上预加载装置，顶部横构件42再由立柱23 支承。上预加载致动器40有一气缸43和一通过上副支架48连接于一上可 滑动横构件46的可延伸的致动器杆44。上模冲头28包括一其下端有一冲 面49的柄部50，冲面49接触腔料30。柄部50可操作地设置成通过在上可 滑动横构件46中的孔54滑动，它的上端是一伸出孔延伸的具有凸肩的头部 56。上可滑动横构件46在凸肩头部56上有一覆盖件58，该覆盖件58使这 头部限制在覆盖件与可滑动横构件的顶表面59之间，其间的间隙为C，这 样，限制了孔54中的柄部50的轴向移动。上可滑动横构件46可操作地设 置成沿立柱23滑动，使得其覆盖件58靠在凸肩头部56，从而，使模具冲 头28对腔料30预加载。
图中以一安装于上副支架48的电动机械上冲击致动器60的形式示出了 将一循环往复冲击力施加到上模冲头28的上移动装置。所示的冲击致动器 60是经常称为“音圈”致动器的那种，它一般包括一缠绕在非铁基础64上 的线圈62和磁场铁心组件66。线圈62位于磁场与铁心之间的间隙67内， 并被机械限定，以允许线圈沿力矢量方向移动。当线圈电流流动时，产生力。 方向A和振幅由电流的大小和方向确定。音圈往往通常用在扬声器中，所以， 音圈装置的这种特殊应用是独特的。Kimco Magnetics Division的BEI传 感器和系统公司是音圈装置的供应商。名称为“采用磁通集中的交错磁线路 (Flux-Focused Interleaved Magnetic Circuit)的动圈致动器”的美国专 利第5,345,206公开了可特别用在本发明中的一个致动器。其它类型的电动 传动器也可用于本发明的移动装置，例如，压电装置和电磁直线致动器。
线圈62有一连接于其的短杆68，它们一起作为一往复移动锤69。覆盖 件58沿机器轴线36的中心有一覆盖件孔70，使短杆68穿过覆盖件撞击凸 肩头部56，由此将上冲击致动器60所产生的动能通过锤69的循环往复运 动和冲击力传递到上模冲头28。通过循环往复运动，利用冲击力基本上将 所有的动能给予腔料30，使该颗粒物质被压实，并在至多几秒钟的时间形 成成品压制件。固定装置、固定横构件22保持冲模26固定，以便基本防止 冲击力的任何衰减，防止成套模具的不希望的振动，使用所有的动能基本上 都给予腔料30。
由于冲击力来自上冲击致动器60，所以需要上预加载致动器40的力很 小。当腔料30的颗粒物质在通过循环往复运动施加的冲击力的作用下压实 时，上预加载致动器40通过将上可滑动横构件46和上副支架48推向冲模 26而持续使上模冲头28保持靠紧腔料30。换句话讲，上预加载致动器仅仅 是保持上模冲头28靠向腔料30，以防止成套模具分离。
本发明的较佳实施例是具有上冲压装置10和一基本相同的第二下冲压装 置110的压制机5。成套模具20最好有一下模冲头128，将它可操作地设置 成在空腔34内与上模冲头28相对地滑动，使得下模冲头128、上模冲头28 和冲模26构成封闭的容积29。光滑直线内壁32和类似的线性空腔34还提 供一运动限制装置，以将下模冲头128限制在空腔34内作直线往复运动。
通过一安装在压制机5的机器基础部分142上的气动下预加载致动器140 提供使下模冲头128朝颗粒物质或腔料30偏置的第二预加载装置，立柱23 从机器基础部分142朝上延伸。下预加载致动器140有一气缸143和一通过 下副支架148连接于一下可滑动横构件146的可延伸致动器杆144。下模冲 头128包括一其上端有一第二冲面149的柄部150，冲面149接触腔料30。 将柄部150可操作地设置成通过下可滑动横构件146中的孔154滑动，它的 下端是一伸出孔延伸的具有凸肩的头部156。下可滑动横构件146在凸肩头 部156上有一覆盖件158，该覆盖件58使该头部限制在覆盖件与可滑动横 构件的底表面159之间，其间的间隙为C，这样，限制了孔154中的柄部150 的轴向移动。将下可滑动横构件146可操作地设置成沿立柱23滑动，使得 其覆盖件158靠在凸肩头部156，从而，使模具冲头128对腔料30预加载。 下或上预加载致动器还能用于推出未烧结压制品。本发明生产一种推出较容 易并只需小功率的气动致动器的未烧结压制品，这样改进了推出步骤并降低 了废料率。
图中以一安装于下副支架148的下冲击致动器160的形式示出了将一第 二循环往复冲击力同时施加到下模冲头128的第二移动装置。分别通过上和 下冲击致动器60和160示出的第一和第二活动装置最好由能控制它们动作 的电子控制器400进行控制，使得它们通过基本相等的和不同步的或基本同 步的冲击力将动能给予腔料30。
图2和2A所示的是一基本类似于美国专利第5,584,616号中所公开的本 领域中典型的切削工具刀片的未烧结压制品200。未烧结压制品200和其对 应的刀片具有许多表面特征，这些表面特征包括一深度为D和用作割断切削 的断屑槽204。断屑槽204形成在一对从压制品200的侧面206朝下倾斜的 切割面205与从各个切割面朝上倾斜的断屑器表面(chip breaker face)207 之间。本发明包括形成未烧结压制品和具有这种复杂的表面特征的切削工具 刀片的较佳设备和工艺。切削工具刀片是通过烧结未烧结压制品所形成的， 并且，看上去基本上象图2所示的未烧结压制品200。图2B示出本发明另 一更特别的实施例，一具有塑料冲头面49的与腔料30接触的塑料顶端208 设置在金属柄50的端部。塑料冲头面49包括一与未烧结压制品200的断屑 槽204的表面特征相对应的凸起部209。使用塑料顶端和冲头面提供了许多 上述的经济利益。
本发明所开发的另一类型的未烧结压制品是一种如图3B所示的具有一孔 302的砂轮未烧结压制品300。砂轮未烧结压制品300可根据本发明用具有 如图3和3A所示的成套砂轮模具210的压制机5来生产。图3和3A示出本 发明一实施例，该实施例具有用作运动装置的流体动力驱动器，尤其是上下 气锤61和161形式的气动的上和下运动装置，用于同时将循环往复冲击力 分别施加到上下环形模冲头188和190上。最好使用一气动控制器410来控 制上下气锤61和161的操作，使得它们通过基本相等和不同步的或基本同 步的冲击力将动能给予腔料30。
砂轮未烧结压制品300形成在成套砂轮模具210的一环形冲模226之内 的一圆柱形空腔34内。上和下环形模冲头188和190以及腔料30设置在成 套砂轮模具210的中心柱228的周围。中心柱228用于形成砂轮未烧结压制 品300的孔302。平的环形上和下止动板232U和232L分别放置成与上下环 形模冲头188和190分别接触。上和下气锤61和161各有气缸220和气锤 头222。上和下冲头工具236和238各有离开成套模具210的一个工具柄240 和一在工具柄一端部的凸肩工具头部242。上和下可滑动横构件46和146 接触各自的工具头部242，工具头部242又分别接触上和下止动板232U和 232L，并使上和下环形模冲头188和190朝腔料30预加载。环形橡胶垫片 250分别设置在上下止动板232U和232L的圆柱形中心凹槽252内，使中心 柱228定中心和定位。当气锤61和161运行时，每一气锤头222冲击一个 工具柄240，并将气锤产生的动能传递到腔料30中。
图1、1A和1B所示的用在压制机5中的固定横构件22没有用在图3和 3A所示的具有成套砂轮模具210的压制机5中。成套砂轮模具210和腔料30 的质量和惯性与由使用上预加载致动器40和下预加载致动器140的上和下 预加载装置提供的预加载力一起，提供一固定措施，以保持被固定的环形冲 模226，以便能基本防止冲击力的任何衰减，防止成套模具的不希望有的振 动，使得所有的动能基本上给予腔料30。通过用基本相等的和同步的或充 分同步的冲击力来将动能给予腔料30，增强了这固定措施，以防止成套模 具的不希望有的振动，并使动能基本上全部给予腔料30。
在将腔料30装到环形冲模226的过程中，用垫片243(在图3A中用虚 线表示)将环形冲模托起与下止动板232L隔开，使下环形模冲头190伸出 环形冲模226的底部的距离约为在冲压过程中压缩腔料30时冲头190沿轴 线36移动的距离(约为垫片243的厚度)。中心柱228插入下环形模冲头 190之后，装上腔料30，然后上环形模冲头188插入环形冲模226的顶部。 设定上环形模冲头188，使得它伸出环形冲模226的距离也约为在冲压过程 中它沿轴线36移动的距离。上止动板232U放置在上环形模冲头188上，然 后使成套砂轮模具210与设定在图3A所示位置的橡胶垫片250的组件定位 在压制机5中的上下冲头工具236与238之间。这个操作可用手工或自动完 成。
分别通过上下冲头工具236和238将预加载分别施加到上下止动板232U 和232L上。预加载的大小最好设定在仅用静态压制把腔料30压制成所需的 或预定的密度所需要的加载量的百分之二和十之间。一旦预加载完成，取出 垫片243。施加在腔料粉末上的预加载通过对环形冲模226内侧表面的压力 和摩擦防止环形冲模226朝下落在下环形模冲头190的周围。在冲压过程中， 腔料30与环形冲模226之间的摩擦防止环形冲模以同步或不同步的模式在 冲压过程中上下移动。冲压之后，去掉预加载，从压制机5中取下成套砂轮 模具210，以便推出或取下砂轮未烧结压制品。显然，较大压制品的冲压时 间显著大于较小压制品。
本发明所考虑的其它类型的移动装置包括但不局限于一水压动力驱动 器、一向提供循环往复运动和冲击力的机械连杆或凸轮装置供应动力的电动 机和一由电振荡线路激励的压电晶体块。
可按照下面将要描述的本发明的工艺来生产压制品，诸如切削工具刀片 或砂轮的未烧结压制品。工艺包括将大量松散的颗粒材料装入成套模具的冲 模中的空腔来形成腔料。成套模具至少包括一第一模具冲头和最好是一相反 的第二模具冲头。将模具冲头可操作地设置成在空腔内滑动，并因此被局限 于沿一线性方向往复运动。模具冲头与冲模一起在保持腔料的空腔内构成封 闭容积。朝着空腔内的腔料对两相对的模具冲头预加载，第一和第二循环往 复冲击力分别沿线性方向同时施加于第一和第二模具冲头，同时保持冲模被 固定，这样基本上防止冲击力的衰减。
某些情况下的工艺可只用一个模具冲头和通过施加一个循环往复的冲击 力到一个模具冲头上来进行，但是，如上所述，较好的方法利用第一和第二 循环往复冲击力，分别同时冲击相对的第一和第二模具冲头，使得第一和第 二循环往复冲击力基本上是相等的，并且彼此不同步或同步地同时施加。工 艺还使用第一和第二往复移动锤头通过冲击施加第一和第二往复冲击力分别 将动能给予第一和第二模具冲头。工艺还包括在不超过几秒的数量级的时期 内施加往复冲击力。这些短时间过程使本发明的价值显著超过已有技术。已 经发现，对于制造小砂轮和工具刀片，可施加频率约为每秒30周的往复冲 击力，时间长达一秒钟。
要指出的是，通过采用类似于结合图3A的中心柱228所示的和描述的一 中心柱和柱支承技术，图2和2A所示的未烧结压制品200也可形成有一类 似于美国专利第5,584,616号的刀片的中心孔。
尽管已结合一较佳实施例描述了本发明，但这不是限制本发明。相反， 本发明可以延伸到落在所附权利要求书范围之内的所有这样的结构和修饰。