粉末冶金正時齒帶輪

1、前言

粉末冶金作為一種獨特的零件制造技術，因其制品少、無切削，成本低，效率高，越來越受到設計和制造人員的重視。特別是近幾十年來，汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，帶動了鐵基粉末冶金行業(yè)的快速發(fā)展。品種多、產(chǎn)量大、精度高、性能好是粉末冶金汽車零件的特點，使鐵基結構件的生產(chǎn)達到了新水平。某公司生產(chǎn)的汽車是引進日本技術制造的，我院為其配套生產(chǎn)了多種粉末冶金零件，以實現(xiàn)國產(chǎn)化。發(fā)動機上所用曲軸正時齒帶輪(以下簡稱小帶輪)和凸輪軸正時齒帶輪(以下簡稱大帶輪)就是其中的兩種(實際上是兩套，大小帶輪成套使用。一套所用為方形齒槽，另一套所用為弧形齒槽，其他形狀尺寸相近)。經(jīng)分析，該零件屬于高精度、高強度、大型復雜的鐵基粉末冶金結構件。根據(jù)產(chǎn)品結構和性能特點及我院模具制造設備和生產(chǎn)條件，大帶輪使用630ｔ四柱液壓機上的半自動模架生產(chǎn)，小帶輪在100ｔ四柱液壓機上使用手動模生產(chǎn)。本文僅就研制過程中模具設計思想、產(chǎn)品性能控制、工藝難點及解決方法、最后達到的結果、取得的經(jīng)驗等進行簡要總結。

2、零件結構和性能特點

大小齒形應符合日本標準，為“ＲＵ”齒形，齒數(shù)分別為40和20，齒的單個周節(jié)誤差均為±0025ｍｍ，累積周節(jié)誤差分別為±013ｍｍ和±011ｍｍ(90°圓周上)，齒向平行度003(對中心孔)。材料和性能應符合日本標準ＪＭＰＡＩ-1970ＳＭＦ4040。

2.1結構特點

該大帶輪屬于高精度、高強度、大型復雜的多平行孔類鐵基粉末冶金結構件，重710ｇ，外徑120ｍｍ，高度24ｍｍ，4個異形孔加中心孔。輪輻僅6ｍｍ厚，且上下面有多個臺階和凸臺，棱角處有微小臺階，尺寸精度和形位精度要求均較高。內孔的圓度、直線度及尺寸公差僅002ｍｍ。外圓圓柱度003ｍｍ，對中心孔的圓跳動為016ｍｍ。輪轂對中心孔的垂直度為005ｍｍ。該零件經(jīng)壓制及燒結后變形較大且各方向變化不均勻。在不去除材料(否則影響齒形)的條件下。如何保證外圓的圓柱度、公差及徑向跳動量是該零件的最大難度所在。

小帶輪是典型的多平行孔帶齒類零件，重215ｇ，外徑60ｍｍ，厚20±015ｍｍ，10個圓孔加中心孔，棱角處有微小臺階，雙面有定時孔，壁厚較均勻，尺寸精度和形位精度要求均較高。內孔的圓度、直線度及尺寸公差002ｍｍ。外圓圓柱度0.03ｍｍ，且對中心孔的圓跳動量小于0.16ｍｍ。兩端面對中心孔的垂直度、平行度小于005ｍｍ。同樣，外圓不能去除材料，既要保證外徑又要保證圓柱度及徑向跳動量。

2.2性能特點

強度、硬度要求高，材質ＳＭＦ4040，硬度ＨＲＢ大于50。這就要求配制高性能的鐵粉，并壓制燒結成較高的密度。密度要求大于66ｇｃｍ3，實際要大于67ｇｃｍ3。壓制壓力，大帶輪4000ｋＮ(400ｔｆ)，小帶輪1000ｋＮ(100ｔｆ)。并且裝粉要均勻，保證密度均勻。燒結時加碳保護，防止脫碳降低硬度，并嚴格按工藝燒結。

3、模具設計要點

大帶輪在6300ｋＮ(630ｔｆ)四柱液壓機上用半自動模架壓制。模具結構如圖3所示，粉重710ｇ，容積法裝粉，壓力4000ｋＮ(400ｔｆ)，雙向浮動壓制，拉下式脫模。外圓留精整余量，內孔留出磨量。具有上下面臺階、凸臺、凹坑、定時孔等，采用車及電火花加工模具，壓制成形出來。為解決外圓各方面變形不均勻問題，在模具上預留出反變形量，這一點線切割編程可以實現(xiàn)。燒結后可達到較理想狀態(tài)，滿足后序加工要求。模具單側配合間隙002～003ｍｍ，光潔度0.4以上，各零件定位、聯(lián)接要牢固。模沖壁厚較小，不應因聯(lián)接減小模沖的剛性。關鍵部位校核抗拉強度。

小帶輪暫時用手動模壓制。粉重215ｇ，壓力1000ｋＮ(100ｔｆ)，雙向壓制。一次脫模，再次脫芯。外圓、內孔均留出精整余量。上下面的定時孔及小臺階，采用電火花加工模具，壓制成形出來。在總結經(jīng)驗，充分考慮鐵粉配方、彈性后效、燒結變形等因素的基礎上，定出模具各部分尺寸。實踐證明:模具結構合理，使用方便可*。精密進口線切割機床為模具的精確加工提供了有利條件。

4、材料與工藝過程

原材料的選擇及工藝過程的制定對產(chǎn)品的精度、性能有直接重要的影響。應選用強度高、變形小、質量穩(wěn)定、成本低的配方。材料采用鞍山機械制造公司冶金粉材廠的ＦＳＹ200·30Ａ一級水霧化鐵粉并添加適量銅粉、鎳粉、石墨粉、硬脂酸鋅粉及適量機油等均勻混合而成。

大帶輪生產(chǎn)工藝流程為:混粉→壓制→燒結→去刺→光飾→精整外圓→磨內孔→清洗→浸油→包裝。

小帶輪生產(chǎn)工藝流程為:混粉→壓制→燒結→去刺→光飾→精整外圓和內孔→平磨→清洗→浸油→包裝。

燒結工藝為:入爐→預燒(900℃2ｈ)→燒結(1120℃3ｈ)→降溫(900℃15ｈ)→冷卻→出爐。

推桿式燒結爐，零件在爐內停留10ｈ，充分燒結，并制定嚴格的操作規(guī)程，控制冷卻速度，調節(jié)碳勢防止脫碳、氧化。

5、總結

大帶輪經(jīng)過兩輪試制和兩批400件試生產(chǎn)，小帶輪經(jīng)兩輪試制和兩批1000件試生產(chǎn)，經(jīng)權威部門檢測，產(chǎn)品的幾何尺寸和形位精度均達到了圖紙要求。經(jīng)檢測，抗拉強度、伸長率和燒結態(tài)硬度、性能均達到圖紙要求。產(chǎn)品經(jīng)有關廠家裝機試驗，運轉良好，受到用戶好評，目前已投入批量生產(chǎn)。實踐證明:模具結構簡單合理，使用方便;各項工藝方案合理有效，經(jīng)濟實用;產(chǎn)品質量穩(wěn)定，替代了進口產(chǎn)品，節(jié)約了外匯。用粉末冶金方法生產(chǎn)這兩種產(chǎn)品，材料利用率近100%，生產(chǎn)率高、成本低，效益好。這兩種產(chǎn)品的研制成功為研制其他汽車的各種齒帶輪打下了堅實的基礎，同時也標志著我院研制大型高難度粉末冶金結構件的水平上了一個新臺階，積累了寶貴經(jīng)驗。該零件的投產(chǎn)，為我院取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

6、結論

(1)薄壁大型多平行孔類粉末冶金結構件的尺寸形狀對原料配比、壓坯密度、燒結工藝的變化十分敏感。模具結構和精度是保證產(chǎn)品質量的關鍵。

(2)齒帶輪的生產(chǎn)工藝穩(wěn)定，產(chǎn)品精度高、成本低，完全可替代進口產(chǎn)品，節(jié)約了外匯，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。