換擋指成形模具中的跑粉槽設(shè)計(jì)及應(yīng)用

鄭惠，魏偉

(魯銀投資集團(tuán)禹城粉末冶金制品有限公司，山東禹城251200)

0 引言

在汽車零件中，鐵基粉末冶金結(jié)構(gòu)件占有很大的比例，特別是變速箱里的變速機(jī)構(gòu)，還有一些鎖件也改成了粉末冶金材料，如換擋指、控制爪、換擋擺桿、互鎖塊、換擋軸套、同步器齒轂等。性能好、精度高、形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)零件對模具的要求也越來越高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)與制造方法已不能適應(yīng)工業(yè)產(chǎn)品及時更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求，因此必須對粉末冶金結(jié)構(gòu)件模具進(jìn)行創(chuàng)新。以換擋指結(jié)構(gòu)件 (如圖1所示)的研發(fā)和生產(chǎn)為例，需要組合模沖才能壓制的產(chǎn)品，采用跑粉的方式，用整體模沖壓制。

圖1為汽車粉末冶金結(jié)構(gòu)件換擋指，它是變速箱中重要的組成件之一，它直接影響著汽車擋位變換。根據(jù)其形狀為異形件，而且又屬于端面不等高壓坯，采用跑粉的方式壓制該結(jié)構(gòu)件有很大的優(yōu)勢。首先根據(jù)其形狀設(shè)計(jì)出上模沖、陰模、下模沖的尺寸;其次，計(jì)算出成形過程中有多少粉末溢出，確定跑粉槽的大小以及深度;最后，根據(jù)液壓設(shè)備以及成形方式設(shè)計(jì)出該模具。

1 產(chǎn)品分析

換擋指的幾何尺寸如圖2所示。換擋指的密度要求大于6.8 g/cm3。

根據(jù)圖2和表1所示的要求，對產(chǎn)品零件進(jìn)行全面的技術(shù)分析［1］。為了達(dá)到零件的性能要求，使用赫格拉斯ABC100.30霧化粉末，其粉末性能穩(wěn)定，采用模壓成形工藝方法能夠滿足產(chǎn)品尺寸、形狀、精度、表面粗糙度、密度及有關(guān)硬度、強(qiáng)度等使用性能的要求。但從工藝上來看，產(chǎn)品有些尺寸、形狀部位不適宜模壓成形，而需要采用后續(xù)輔助機(jī)械加工的辦法使之達(dá)到用戶對產(chǎn)品尺寸形狀及精度的要求。因此采用模壓成形后再機(jī)加工的方式進(jìn)行生產(chǎn)，這樣就能滿足產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的需求。

鐵基金屬粉末作為一種非連續(xù)體，具有流動性。在成形過程中，壓力經(jīng)上模沖傳向粉末時，粉末在某種程度上就表現(xiàn)出與液體相似的性質(zhì)——力圖向各個方向運(yùn)動。傳統(tǒng)的成形方式是將陰模中的粉末全部壓制成壓坯，然而對于不等高壓坯，尤其是壓坯上下皆有臺階時，壓制過程中必須有移粉動作。否則，成形壓坯密度分布不均勻，致使沖頭受力不均勻，就會造成裂紋的產(chǎn)生和沖頭被壓彎并且與陰模壁摩擦，這樣就會使產(chǎn)品表面拉傷，嚴(yán)重時陰模失效。采用跑粉的方式，將比較矮的臺階上多余粉末跑出，壓坯受力均勻，這樣整體模沖就會取代組合模沖。

在原上二下二組合模沖的基礎(chǔ)上，在陰模成形腔上端加工用于溢出多余粉末的開口，即跑粉槽。根據(jù)粉末流動性特點(diǎn)，由壓制過程中陰模腔中不同地方跑粉量計(jì)算出跑粉槽尺寸，并且將其改進(jìn)為上一下一整體模沖，從而滿足了不等高壓坯在成形時壓制速率、壓縮比、裝填系數(shù)一致的要求。整體模沖在成形過程中不用進(jìn)行移粉動作，脫模時間也會降低，大大地提高了生產(chǎn)效率。在壓制過程中調(diào)整陰模板的主動浮動向下移動的起始時間，可以調(diào)節(jié)不等高壓坯高度差;再次調(diào)整主動浮動向下移動距離，調(diào)節(jié)產(chǎn)品自上而下的密度分布，這樣就實(shí)現(xiàn)了不等高壓坯各個臺階的密度均勻。

2 研制方法

2.1 成型模的設(shè)計(jì)

根據(jù)換擋指的形狀，設(shè)計(jì)零件的壓坯圖，如圖3所示。

該零件由右邊圓筒和左邊塊條組成，在這里分別稱之為筒部與指部。指部的兩個臺階由于h3上下為半圓狀，且h2與h1的高度差較大，所以采用整體模沖壓制燒結(jié)后再機(jī)加工，車削出多余部分。根據(jù)赫格拉斯ABC100.30粉末的成形、燒結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將壓坯筒部和指部臺階的高度分別設(shè)計(jì)為h3=35 mm，h2=27 mm，h1再通過計(jì)算得出。

若h2，h3之間采用整體模沖，按照實(shí)際判斷裝粉高度與壓縮比引起的壓坯密度是否在壓坯允許的范圍內(nèi) (表1)。

表1 鐵基制品相臨臺階用整體模沖成形時所允許的孔隙度差

ABC100.30粉末松狀密度為ρ松=3.0 g/cm3，根據(jù)工藝要求壓坯密度設(shè)定為ρ坯=7.0 g/cm3，致密鐵的密度為ρ致=7.8 g/cm3。故理論壓縮比為:

壓坯的孔隙度Θ=1－ρ坯/ρ致=1－7.0/7.8=0.1。查表得孔隙度差為0.01。

從而計(jì)算出允許的壓縮比之差:

所以，臺階3的壓縮比是k3=2.33+0.03=2.36，根據(jù)壓坯高度、壓縮比以及裝粉高度之間的關(guān)系得出h2－h(huán)1=1.5.故h1=24。

2.2 跑粉槽尺寸的設(shè)計(jì)

裝粉時筒部裝粉高度H筒=35×2.33=81 mm，指部裝粉高度分別為H2=27×2.33=62 mm，H1=24×2.36=56 mm，所以h2處要跑掉81－62－3=16 mm的粉;h1位置處要跑掉81－56－4=21 mm的粉，在陰模上打電極做跑粉槽，由于粉末的軸向流動性并不是很好，所以深度要按需要跑掉粉的1.2倍計(jì)算，h2處設(shè)定為19 mm，h1處設(shè)定為25 mm，徑向尺寸按產(chǎn)品尺寸的約1倍即可。如圖4所示。

2.3 模具制備工藝

換擋指模具加工工藝流程如圖5所示［2］。

2.3.1 模具材料的選擇與模具鋼的熱處理

由于模具消耗是構(gòu)成金屬粉末模壓成形成本的主要因素之一，因此開始的模具材料的選擇及熱處理都影響著模具壽命，選擇模具材料要從使用要求和模具制造成本兩個方面考慮，表2列出了這次模具材料的選擇、熱處理工藝及性能要求。

表2 模具材料的選擇與熱處理性能

2.3.2 模具加工

異形陰模的加工:陰模的毛坯是退火的鍛件，經(jīng)熱處理后硬度在HRC63以上，故采用線切割的方法切出模腔形狀。然后用電火花打出跑粉槽。其工藝步驟為:毛坯→鉆傳絲孔→平磨兩端→數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)→線切割→電火花加工→清洗→拋光。

沖頭和芯桿也采用線切割的方式進(jìn)行加工，加工好模沖后，沖頭座采用經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理的45鋼加工成模沖端面形狀與模沖的插銷緊配，并平磨，加工好的模具要進(jìn)行裝機(jī)實(shí)驗(yàn)，根據(jù)成形過程的變化因素對模具尺寸做一定的修整。圖5所示為加工好模具實(shí)物圖，其跑粉槽的19、25 mm深度，分別改為19.2、26.3 mm。

2.3.3 檢測結(jié)果

通過檢測，采用新型模具成形的產(chǎn)品精度達(dá)到工藝要求，并且密度分布均勻。如圖7所示。

3 結(jié)束語

任何一副模具都必須經(jīng)過設(shè)計(jì)與加工兩個階段，只有設(shè)計(jì)合理并加工完好的模具才有可能滿足壓制生產(chǎn)的要求，因此，模具生產(chǎn)不僅要考慮壓制需要，還要考慮加工需要。根據(jù)粉末性能選擇合適的模具材料進(jìn)行切削加工;依據(jù)粉末成形方式以及成形后壓坯尺寸再次調(diào)整模具尺寸，使其精度達(dá)到可以標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的要求。

【1】張華誠.粉末冶金實(shí)用工藝學(xué)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2004:132.

【2】印紅羽，張華誠.粉末冶金模具設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002:373 －378.