高精度汽車粉末冶金里程表轉(zhuǎn)子的實(shí)驗(yàn)研制*

高 源

(陜西省機(jī)械研究院，陜西 咸陽 712000)

0 引 言

為進(jìn)一步促進(jìn)空氣質(zhì)量改善和汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，國家已在大中型城市相繼實(shí)施了國六排放標(biāo)準(zhǔn)。X型變速器以其優(yōu)越的舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性成為了國六車型升級換代的首選。里程表轉(zhuǎn)子是X型變速箱里程表中的重要零件，汽車行駛時(shí)，里程表與變速器輸出主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。里程表轉(zhuǎn)子質(zhì)量的優(yōu)劣影響著汽車?yán)锍瘫碛?jì)數(shù)是否準(zhǔn)確，進(jìn)而影響用戶舒適、可靠的駕乘體驗(yàn)。

粉末冶金工藝因具有材料利用率高、高效節(jié)材等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械、石油機(jī)械等領(lǐng)域。近年來，伴隨著汽車產(chǎn)業(yè)不斷升級及輕量化發(fā)展趨勢，傳統(tǒng)的粉末冶金里程表轉(zhuǎn)子已發(fā)展較為成熟，但仍未達(dá)到歐美標(biāo)準(zhǔn)。X型變速器是一款對標(biāo)歐美、面向國際市場的系列全新高端產(chǎn)品，對里程表精度、故障率都有了更高的要求。筆者嘗試以粉末冶金工藝制造里程表轉(zhuǎn)子為研究對象，通過原材料的選型，壓型、整形工藝過程的試驗(yàn)，檢測工裝的設(shè)計(jì)等，最終確定了高精度粉末冶金里程表轉(zhuǎn)子的生產(chǎn)工藝路線，實(shí)現(xiàn)了高精度粉末冶金里程表轉(zhuǎn)子的批量化生產(chǎn)。

1 產(chǎn)品分析及工藝方案擬定

里程表轉(zhuǎn)子成品如圖1所示，為多齒軸套類零件，屬典型的粉末冶金“T”型零件。齒形部分機(jī)械加工一致性差，效率低，成本高。粉末冶金作為少切削或無切削的成型工藝，其最大的優(yōu)勢在于耗材低，效率高，批量生產(chǎn)成本低，采用粉末冶金工藝制備該零件非常適宜。產(chǎn)品非特殊復(fù)雜結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有設(shè)備上二下三模架及噸位均能夠滿足壓制需求。

圖1 產(chǎn)品示意圖

產(chǎn)品尺寸精度較高，兩端面平行度0.01 mm，端面對內(nèi)孔跳動(dòng)0.02 mm，內(nèi)孔直徑公差0.03 mm。僅通過傳統(tǒng)的壓、燒無法保證，需要通過精整來保證大部分精度要求，而精度要求極高的內(nèi)孔、端跳，則需要通過加工來保證。綜上考慮，初步擬定試制工藝方案為：混料-壓型-燒結(jié)-精整-加工-后處理-檢驗(yàn)-清洗-包裝。

2 制 備

2.1 材料選型及配料

里程表轉(zhuǎn)子的理化性能要求為：密度6.7 g/m3以上，硬度HRB60以上。根據(jù)以往開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，選用材料配方為0.8% C、1.0%Cu、Fe余量，松裝密度在3.0～3.3，流速在30～35 s之間的粉末為佳。配料工序是粉末冶金工藝第一道工序，成分的配比、微觀形態(tài)、混料均勻程度都會(huì)影響零件最終的 使用性能[1]。具體的材料配比及選型見表1所列。

表1 實(shí)驗(yàn)材料配比表

鐵粉選擇各50%的還原粉和霧化粉，以便于調(diào)節(jié)尺寸收縮率；碳常以石墨形式添加，石墨是天然的潤滑劑，它的添加既保證了碳含量，也有助于脫模。為改善粉末壓制性能，提高潤滑性還需添加一定量的硬脂酸鋅，混料時(shí)，為使各種粉末能夠盡可能地混合均勻，往往需要添加少量機(jī)油。混料采用V型混料機(jī)，混料30 min，混料后檢測粉末物理性能，采用V型漏斗、電子天平等對混后粉末進(jìn)行松裝密度及流速的檢測。經(jīng)檢測：松裝密度為3.2，流速為34 s，滿足使用要求。

2.2 壓 型

(1) 壓模設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品幾何形狀，齒形與B部分可設(shè)計(jì)為一體或分離。若采用分離設(shè)計(jì)，將齒形與B端面分離，8處齒形沖頭獨(dú)立加工，模具成本高、齒形一致性稍差，且由于裝配累計(jì)誤差，8處齒部垂直度及裝粉高度一致性均不及一體設(shè)計(jì)，因此，我們選擇采用一體設(shè)計(jì)，齒部由陰模成型，設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模具總裝圖1.上模沖 2.中心芯棒 3.組合陰模 4.下模沖

模具尺寸設(shè)計(jì)需綜合考慮壓坯彈性后效、燒結(jié)收縮、整形余量。在確定整形方式和整形余量后，由整形余量倒推計(jì)算出燒結(jié)件尺寸，再由燒結(jié)件尺寸倒推計(jì)算壓坯尺寸，最后由壓坯尺寸推算模具尺寸[2-3]，然而，實(shí)踐中常由燒結(jié)件直接推算模具尺寸。在模具設(shè)計(jì)前，需進(jìn)行必要的材料收縮試驗(yàn)，測得所用材料的收縮率。通過材料試驗(yàn)，按照測得的收縮率確定實(shí)際模具加工尺寸。

(2) 壓制

由于齒部由陰模成型，裝粉高度一定，該處密度無法通過調(diào)整模具裝粉高度來實(shí)現(xiàn)，只能通過調(diào)整粉末工藝性、裝填方式等來實(shí)現(xiàn)。在粉末已混好的情況下，我們嘗試了不同裝粉方式的壓制。自動(dòng)裝粉方式主要分三種：落入式、吸入式、多余填充式 。受壓機(jī)功能限制，多余填充裝粉方式無法實(shí)現(xiàn)，因此，我們采用了落入式和吸入式兩種自動(dòng)裝粉方式，在其余參數(shù)未變的情況下分別壓制，毛坯具體情況見表2所列。

表2 不同裝粉方式壓制密度對比

在脫模方面，里程表轉(zhuǎn)子外輪廓帶齒，其外輪廓表面積遠(yuǎn)大于一般回轉(zhuǎn)體零件，脫模時(shí)所受摩擦力較大，易造成模具拉傷。因此在脫模時(shí)，不能按照傳統(tǒng)保護(hù)脫模方式進(jìn)行脫模。在壓制完成后，芯棒先下拉，上沖再回程，最后陰模下拉，坯料完全脫出模腔。

2.3 燒 結(jié)

燒結(jié)是粉末冶金零件生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵工序，它是一種高溫?zé)崽幚?，對產(chǎn)品的最終性能起著決定性作用。如果燒結(jié)過程控制不當(dāng)，往往會(huì)出現(xiàn)氧化、欠燒、脫碳等質(zhì)量問題[4-5]。將壓制的坯料置于平面度為0.05 mm以內(nèi)的專用燒結(jié)墊板上(零件基準(zhǔn)面向下)，以保證燒結(jié)件基準(zhǔn)面平面度≤0.08 mm，在氨分解和氮?dú)獗Ｗo(hù)氣氛下送入460#連續(xù)式網(wǎng)帶燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度見表3。

表3 燒結(jié)工藝參數(shù)表

燒結(jié)工序控制要點(diǎn)：

(1) 硬度 ≥HRB60；

(2) 燒結(jié)收縮率與試驗(yàn)測得的數(shù)值基本一致，圓度≤0.15 m，且基準(zhǔn)面平面度≤0.08 mm，該基準(zhǔn)面將作為加工基準(zhǔn)面，直接影響加工精度，必須在燒結(jié)工序保證。

對比兩類零件燒結(jié)后尺寸，A類零件外圓(含齒部)橢圓度較B類零件大，并且收縮超出設(shè)計(jì)燒結(jié)體尺寸，難以通過整形校正，不再進(jìn)行后續(xù)試制。

2.4 精 整

里程表轉(zhuǎn)子采用全整形方式進(jìn)行整形，設(shè)計(jì)保留整形余量：徑向?yàn)?.04～0.08 mm，軸向?yàn)?.05～0.12 mm。對B類零件進(jìn)行整形，保證零件尺寸精度基本達(dá)到成品要求(內(nèi)孔除外)。

2.5 加 工

2.6 后處理

研磨10 min，以去除零件表面毛刺，再分別采用KDL-161010H、KDL-28K40ST-1C超聲波清洗槽對零件進(jìn)行20 min粗洗和10 min精洗，保證清洗后零件表面潔凈，滿足用戶特殊要求。

3 產(chǎn)品檢測

3.1 理化檢測

采用AR3202CN型電子分析天平檢測零件密度，HR-150A型洛氏硬度計(jì)檢測B類零件表面硬度。經(jīng)檢測，零件密度6.87 g/cm3，表面硬度在62～70HRB，符合產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 尺寸檢測

尺寸檢測以游標(biāo)卡尺和千分尺為主，端面跳動(dòng)采用偏擺儀、百分表、專用工裝進(jìn)行檢測，設(shè)計(jì)專用工裝如圖3所示，使跳動(dòng)檢測不受零件內(nèi)孔尺寸影響。檢測時(shí)，零件裝夾于漲套右端圓環(huán)處，壓錐壓緊，支撐漲套膨脹，撐緊待測工件以防止其檢測旋轉(zhuǎn)過程脫落，壓錐壓緊后與芯軸鎖死，再將整套工裝夾裝于偏擺儀上，采用百分表進(jìn)行跳動(dòng)檢測。B類零件經(jīng)檢測，尺寸及形位公差等符合圖紙要求。

圖3 跳動(dòng)檢測工裝1.漲套 2.壓板 3.芯軸 4.壓錐 5.螺栓

成品零件經(jīng)用戶檢測及裝機(jī)臺(tái)架測試后，達(dá)到臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)，符合使用要求，且裝機(jī)路試未出現(xiàn)異常，效果良好，目前已批量使用。

4 結(jié) 語

通過對產(chǎn)品進(jìn)行綜合分析，擬定試制工藝路線。重點(diǎn)設(shè)計(jì)工藝過程參數(shù)，主要包括配料、壓型、燒結(jié)等工藝，明確工藝關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行樣品試制，同時(shí)，為及時(shí)了解樣件質(zhì)量狀態(tài)，設(shè)計(jì)專用檢測工裝，全面把控樣件質(zhì)量關(guān)鍵點(diǎn)。檢測結(jié)果表明，按照以上工藝路線實(shí)施制備的B類零件符合圖紙要求，已通過用戶驗(yàn)證，上述工藝路線是可行的。在粉末冶金工藝實(shí)施過程中，混料后粉末的工藝性能是保證壓坯質(zhì)量的前提。壓制所采用的粉末裝填方式對壓坯密度均勻分布有一定影響，采用吸入法裝粉時(shí)壓坯密度均勻性優(yōu)于落入法。在一定條件下，壓坯密度越均勻，燒結(jié)后尺寸收縮率一致性越好。

檢驗(yàn)措施的完善，有助于新品開發(fā)過程及后期批量生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，是產(chǎn)品合格出廠的基本保障。粉末冶金里程表轉(zhuǎn)子的成功試制，進(jìn)一步降低車速傳感器的故障率，提升質(zhì)量，配套X型變速器,助力X型變速器以優(yōu)越的舒適性、安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性贏得更廣闊的市場空間。