鐵基粉末冶金同步器錐環(huán)壓制成形技術(shù)工藝及成形機(jī)理分析

韓 沖，高 碩，高 勇

(1.陜西國(guó)防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300) (2.汶上縣高級(jí)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，山東 汶上 272500) (3.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

同步器錐環(huán)主要用于重型卡車變速器，其技術(shù)指標(biāo)和質(zhì)量對(duì)重型卡車變速器的運(yùn)行質(zhì)量有直接影響。汽車行駛及換擋過(guò)程中，需通過(guò)同步器錐環(huán)的摩擦作用實(shí)現(xiàn)齒輪轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的同步，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行合理的分配，使車輛能夠平穩(wěn)地?fù)Q擋變速。采用粉末冶金技術(shù)制造同步器錐環(huán)時(shí)[1]，錐環(huán)坯體的壓制成形是最關(guān)鍵的工序之一。本文主要分析同步器錐環(huán)壓制成形的工藝過(guò)程[2]，并研究其成形機(jī)理，以便更好地指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

1 鐵基粉末冶金同步器錐環(huán)成形原理分析

1.1 成形方法研究

本文研究的同步器錐環(huán)壓制成形工藝屬于單軸閉式鋼模冷成形，即通常所說(shuō)的壓制成形。壓制成形的關(guān)鍵步驟是，首先預(yù)先設(shè)置好粉末比重，然后在V型混粉機(jī)中進(jìn)行混粉，再將粉末裝入模具型腔內(nèi)，通過(guò)壓力機(jī)壓制零件，最后釋放壓力，取出零件。整個(gè)壓制過(guò)程包括3個(gè)主要步驟：裝粉、壓制成形和脫模。

1.1.1裝粉

裝粉方式主要有兩種，一種是手動(dòng)裝粉，另一種是自動(dòng)裝粉[3]。手動(dòng)裝粉是通過(guò)天平稱量粉末并進(jìn)行配比，然后手動(dòng)將其填充到模具型腔中，再刮擦或研磨粉末[4]。自動(dòng)裝粉主要用于零件的批量生產(chǎn)，應(yīng)用最多的自動(dòng)裝粉方法是容積裝粉法，根據(jù)粉體的堆積密度和粉體高度，將模具預(yù)先調(diào)節(jié)到相應(yīng)的粉體填充高度位置，然后由進(jìn)料靴將粉料送入型腔。同步錐環(huán)是一個(gè)多臺(tái)階的復(fù)雜零件，需要多步操作，手動(dòng)裝粉會(huì)導(dǎo)致局部裝粉不均，從而在壓制過(guò)程中出現(xiàn)密度不均勻的情況，而自動(dòng)裝粉主要是采用吸入裝粉，可大大提高局部裝粉均勻性，提高壓制成形的成功率。

1.1.2壓制成形

壓制成形主要是粉末顆粒受到壓制力的作用后發(fā)生一定的位移和變形，并且在壓制成形的過(guò)程中隨著粉末顆粒受到的壓力不斷增大，粉末顆粒被進(jìn)一步擠壓最后達(dá)到致密[5]。壓制成形要保證壓制的零件密度均勻，整體的密度差較小。

1.1.3脫模

壓制成形后，上模具返回，但成形之后的零件由于彈性后效依然滯留在型腔內(nèi)，需要壓機(jī)下缸給下模沖施加一個(gè)力。同步器錐環(huán)在脫模時(shí)，先脫出陰模，這樣可使壓坯彈性釋放，然后逐次脫出6個(gè)圓弧臺(tái)階芯桿、中心桿及下模沖等模具，脫模后錐環(huán)整個(gè)壓制成形過(guò)程結(jié)束。

1.2 同步器錐環(huán)壓制成形過(guò)程力的分析

1.2.1壓制力

壓制力作用于粉末體上，其主要包括：一部分為作用于粉末使之發(fā)生形變的力及摩擦力，通常情況下稱為凈壓力，另一部分為粉末與模具壁產(chǎn)生的摩擦力，稱為損失壓力。壓制力包括凈壓力P1和損失壓力P2：

P=P1+P2=pS

(1)

式中：P為壓制力，N；p為壓強(qiáng)，MPa；S為橫截面積，m2。

1.2.2側(cè)壓力

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，側(cè)壓力P側(cè)與壓制力并不能保持一致。由于在壓制的過(guò)程中存在或大或小的摩擦力，因此側(cè)壓力與壓制力并不相等。側(cè)壓力的計(jì)算公式如下：

(2)

式中：μ為泊松比；ξ為多孔材料的側(cè)壓系數(shù)，其計(jì)算公式為ξ=1-μ；ξ0為壓坯材料致密時(shí)的側(cè)壓系數(shù)；θ為壓坯的相對(duì)密度。

壓制力、側(cè)壓力、側(cè)壓系數(shù)與壓坯密度之間的關(guān)系見表1。

表1 壓制力、側(cè)壓力、側(cè)壓系數(shù)與壓坯密度之間的關(guān)系

1.2.3脫模壓力

以同步器錐環(huán)為例，在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，壓制完成后壓坯會(huì)出現(xiàn)彈性膨脹，導(dǎo)致粉體側(cè)向壓力減小，壓坯沿高度方向伸長(zhǎng)。壓力消除后，壓坯側(cè)壓力下降幅度在35%左右。壓坯脫模后的壓力(即脫模壓力)為：

P脫≈0.13P

(3)

由式(3)可以看出，壓制力與脫模壓力呈線性關(guān)系，如圖1所示，圖中1和2表示兩次不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 脫模壓力與壓制力之間的關(guān)系

2 同步器錐環(huán)壓坯設(shè)計(jì)與技術(shù)工藝分析

2.1 同步器錐環(huán)壓坯設(shè)計(jì)

同步器錐環(huán)成品的密度要求≥6.8 g/cm3，壓坯的整體密度為6.9±0.5 g/cm3，由于壓制出來(lái)的零件強(qiáng)度和硬度不夠，為保證最終成品質(zhì)量，還需進(jìn)行后續(xù)處理，比如對(duì)壓制零件進(jìn)行燒結(jié)和熱處理，使其硬度和強(qiáng)度達(dá)到要求。同步錐環(huán)有1個(gè)上臺(tái)階、6個(gè)下臺(tái)階和1個(gè)傾斜的錐形外表面。同步器錐環(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 粉末冶金同步器錐環(huán)零件

2.2 同步器錐環(huán)成形工藝分析

2.2.1鐵基粉末材料的松裝密度計(jì)算

通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量3組松裝狀態(tài)下的粉末密度(以下統(tǒng)稱為松裝密度)，測(cè)量依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 5061—1998，測(cè)量方法則使用最為流行的振動(dòng)漏斗法，該方法的基本原理是將粉末放置于漏斗中，通過(guò)震動(dòng)使粉末從預(yù)設(shè)的高度自由落體，最終以松散的形態(tài)堆積于已知的圓柱杯內(nèi)，記錄每單位體積散裝粉末的質(zhì)量。松裝密度計(jì)算公式為：

(4)

式中：m為粉末的質(zhì)量；V為漏斗中粉末下漏速度，一般為25；ρ松為松裝密度。本文做了3組振動(dòng)漏斗實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文3組實(shí)驗(yàn)中的最大、最小質(zhì)量分別為68.84 g和69.06 g，由式(4)求得其對(duì)應(yīng)的松散密度分別為2.753 g/cm3和2.535 g/cm3。

2.2.2同步器錐環(huán)壓制過(guò)程中裝粉高度計(jì)算

裝粉高度計(jì)算公式：

(5)

式中：H為裝粉高度， mm；C為壓縮比；r為壓坯密度；r0為松裝密度；h壓坯為壓坯的高度。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)，計(jì)算得：

(6)

2.2.3同步器錐環(huán)壓坯回彈率計(jì)算

壓制過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的壓制反彈量，應(yīng)時(shí)刻注意反彈量的變化。因此，引入壓坯回彈率對(duì)整個(gè)壓制過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控。

壓坯的回彈率用壓坯徑向或軸向的膨脹量占膨脹前壓坯的徑向或軸向理論尺寸的百分比來(lái)表示，其計(jì)算公式為：

(7)

式中：e為壓坯的回彈率；l為壓坯脫模后的尺寸，mm；l0為壓坯脫模前的理論尺寸，mm。

正常情況下鐵基粉末壓坯在不同密度的情況下其回彈率不同，具體見表3。

表3 鐵基粉末壓坯不同密度下的回彈率

由表可以得出，鐵基粉末冶金同步器錐環(huán)壓坯密度應(yīng)控制在6.85～6.95 g/cm3。

2.3 同步器錐環(huán)主要模具部件設(shè)計(jì)

同步器錐環(huán)的主要成形模具為上模沖1、上模沖2、中心芯棒、6個(gè)圓弧瓦片模具、陰模及下模沖等，其中下模沖與瓦片之間的間隙是0.03 mm，上、下模沖與陰模之間的間隙是0.03 mm。上、下模沖模具成形粗糙度為Ra0.4 μm，陰模芯棒模具粗糙度為Ra0.8 μm。本文設(shè)計(jì)的模具所具有的優(yōu)點(diǎn)是將上模沖與瓦片分開設(shè)計(jì)，各自成獨(dú)立的個(gè)體，如圖3～圖5所示。

圖3 上模沖1

圖4 上模沖2

圖5 瓦片

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)粉末冶金同步器錐環(huán)生產(chǎn)技術(shù)工藝進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)錐環(huán)生產(chǎn)工藝流程的關(guān)鍵工序——壓制成形過(guò)程及壓制力和側(cè)壓力(模壁與粉末壓坯)等情況進(jìn)行了細(xì)致分析研究，并對(duì)成形過(guò)程的技術(shù)手段以及成形機(jī)理進(jìn)行分析，從而為壓制成形的成功打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。