粉末冶金微型螺旋齒輪成形工藝及模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)*

黃樹發(fā)，陳禮仁，張永聰，王 柱，王天雷

（1.江門市前通粉末冶金廠有限公司，廣東江門 529000；2.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020）

0 引言

粉末冶金是一種節(jié)材省能的工藝技術(shù)，主要為制取金屬粉末或用金屬粉末作為原料，經(jīng)過成形和燒結(jié)，制造金屬材料、復(fù)合材料以及各種類型制品的工藝技術(shù)，可制造具有特殊性能的家用電器材料，是一項(xiàng)以較低成本制造高性能鐵基粉末冶金制品的技術(shù)[1-2]。目前，我國家用電器已進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展的階段，粉末冶金材料已推廣并廣泛地應(yīng)用在家用電器中，如空調(diào)、排風(fēng)扇和吸塵器中的復(fù)雜形狀的齒輪等，大幅降低生產(chǎn)成本，保證齒輪的形位公差與尺寸公差的一致性[3]。另外，粉末冶金對維持生態(tài)、保護(hù)環(huán)境、節(jié)材節(jié)能等均具有重要的意義[4-5]。

齒輪精度高低直接影響齒輪嚙合過程的平穩(wěn)性與振動噪聲特性。掃地機(jī)器人是將清掃技術(shù)與吸塵技術(shù)有機(jī)地融合，工作過程中難免產(chǎn)生噪聲。隨著人們生活品質(zhì)的提高，對掃地機(jī)器人噪聲控制提出了更高要求。目前，多數(shù)掃地機(jī)器人產(chǎn)生的噪聲比早期產(chǎn)品有較大改善，但仍需進(jìn)一步降低[4]。齒輪是掃地機(jī)器人行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵件，也是一個(gè)重要的噪聲源。傳統(tǒng)齒輪材料為鋼材，由機(jī)床切削加工而成，存在制作成本高、材料利用率低等缺點(diǎn)。粉末冶金是一種節(jié)能省材、低成本、高效率的復(fù)雜機(jī)械零件制造技術(shù)，可確保齒輪形位與尺寸公差的一致性，適于大批量生產(chǎn)。文獻(xiàn)[2，5]中列出了幾種加工工藝的材料利用率、能耗和加工費(fèi)（比較值），如表1 所示，同種產(chǎn)品采用粉末冶金材料，其成本可降低75%，效率提高1.7倍，可制作復(fù)雜形狀零件。

表1 各種加工工藝比較

齒輪精度高低直接影響齒輪嚙合過程的平穩(wěn)性與振動噪聲特性。某品牌掃地機(jī)器人傳動機(jī)構(gòu)中的微型螺旋齒輪，年需求量大，一直采用普通鋼材經(jīng)滾齒加工完成，因而存在材料利用率、能耗和制作成本高等不足。本文針對上述螺旋齒輪，研究了粉末冶金鐵基微型螺旋齒輪制作工藝、精度控制方法和成形模分析與設(shè)計(jì)，并實(shí)現(xiàn)了該螺旋齒輪年產(chǎn)量100萬只。

1 螺旋齒輪結(jié)構(gòu)

微型螺旋齒輪結(jié)構(gòu)與參數(shù)如圖1 與表2 所示，該齒輪采用鐵基粉末冶金材料，壓制密度為6.8～7.0 g/cm3，燒結(jié)后硬度50～70 HRB，表面粗糙度為Ra0.16，精度要求較高。

圖1 螺旋齒輪

表2 螺旋齒輪參數(shù)表

2 鐵基粉末冶金螺旋齒輪制作工藝

粉末冶金工藝主要有：首先選擇符合要求的金屬粉末和輔助材料，將金屬粉末和輔助材料用混料機(jī)混合均勻（或?qū)⒒旌虾笮枰瞥梢欢ù笮〉念w粒）；再將金屬粉末顆粒經(jīng)壓機(jī)壓制成形，成形后的零件毛坯經(jīng)過脫脂處理（或?qū)⒉牧厦撓灪蜔Y(jié)在同一電爐中進(jìn)行）；最后燒結(jié)成致密化的產(chǎn)品。由于所用粉末一般較細(xì)，燒結(jié)后的制品可達(dá)很高密度，力學(xué)性能一般優(yōu)于精密鑄造制品，適合批量生產(chǎn)的小型復(fù)雜件。本文粉末冶金齒輪密度為6.8～7.0 g/cm3。生產(chǎn)工藝流程為：混料→壓制→燒結(jié)→精整→清洗→包裝。

（1）材料設(shè)計(jì)。選用鐵基材料作為基體，Cu元素作為強(qiáng)化組元。主要原材料的技術(shù)要求如表3 所示。為提高鐵基金屬粉末壓制時(shí)的成形性能，在粉料中加入0.75%的乙撐雙硬脂酰胺作為潤滑劑，材料成分配比如表4 所示。為了盡可能降低石墨（理論密度2.25 g/cm3）與Fe、Cu 等在混料時(shí)因密度差異而形成的偏析，混料前在Fe粉中另外加入低粘度錠子油約0.1%[6]。

表3 原材料技術(shù)要求

表4 材料成分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）

（2）壓制與燒結(jié)。采用TAMAGAW-20T 的全自動壓機(jī)進(jìn)行粉料成形壓制，須保證坯件密度分布均勻且分割密度小于0.1 g/cm3。燒結(jié)工藝如圖2 實(shí)施，在有快速脫脂裝置的網(wǎng)帶式燒結(jié)爐中1 150 ℃的溫度，90%氮和10%氫的氣氛下燒結(jié)25 min，燒結(jié)時(shí)嚴(yán)格控制燒結(jié)氣氛的碳勢，以免脫碳影響齒輪的燒結(jié)性能。

圖2 脫脂/燒結(jié)工藝

（3）性能檢測。采用MN-100 全自動密度儀、HBRVC-187.5 型布洛維硬度計(jì)和MMD-HPG100 粗糙度輪廓儀上分別測定燒結(jié)件的密度、硬度和粗糙度值為6.95%、68 HRB 和Ra0.16。將制品螺旋齒輪裝入某品牌掃地機(jī)器人中，整機(jī)噪聲指標(biāo)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 螺旋齒輪模具設(shè)計(jì)

3.1 齒輪成型模具型腔

文獻(xiàn)[7]分析表明，粉末冶金齒輪在一般溫度下燒結(jié)時(shí)，齒面皆呈膨脹現(xiàn)象，隨著燒結(jié)溫度升高，齒輪的顯微結(jié)構(gòu)更致密，齒面膨脹量減少，甚至由膨脹變?yōu)槭湛s，齒形壓力角也會逐漸變大。由測試結(jié)果得知，不論齒輪尺寸呈膨脹或收縮現(xiàn)象，齒形誤差均從齒根往齒冠逐漸增大，以齒冠部分變化量較大，而此變化將造成齒形壓力角的改變，即當(dāng)齒輪尺寸膨脹時(shí)齒形壓力角變小，收縮時(shí)齒形壓力角變大。燒結(jié)溫度影響齒輪成品的尺寸大小及齒形精度，調(diào)整燒結(jié)溫度可提高粉末冶金齒輪的精度。圖3所示為齒輪分度圓在燒結(jié)后尺寸變化情況[8-9]。

圖3 齒輪分度圓尺寸變化

螺旋齒輪成形模齒輪型腔的幾何形狀與尺寸精度直接決定粉末冶金齒輪制品的精度。型腔設(shè)計(jì)主要方法有變位法、變模數(shù)法和變模數(shù)與壓力角設(shè)計(jì)等[8，11]。試驗(yàn)測定，變位法設(shè)計(jì)的齒輪壓坯的齒廓曲線嚴(yán)重偏離預(yù)期的漸開線，容易導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生噪聲，齒面急劇磨損，甚至斷裂，嚴(yán)重影響制品質(zhì)量。

進(jìn)行模具型腔設(shè)計(jì)時(shí)，本文根據(jù)成形后產(chǎn)品的彈性后效和燒結(jié)收縮率，采用圖4所示的計(jì)算過程，將模腔/壓坯齒形壓力角作了合理變化，即將成品的壓力角為20°，模腔齒形的壓力角設(shè)計(jì)為20.2°，經(jīng)過坯件脫模和燒結(jié)后的膨脹之后，最終制品螺旋齒輪的壓力角為20°。采用變壓力角設(shè)計(jì)齒輪壓坯的齒形與預(yù)期基本重合，可使燒結(jié)后的制品齒形較精準(zhǔn)，確保了齒輪嚙合精度，最終制品質(zhì)量得到提高。

圖4 齒輪成型陰模計(jì)算過程[11]

根據(jù)變壓力角設(shè)計(jì)計(jì)算的結(jié)果，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行修正，得出齒輪的基本尺寸如表5與圖5所示。

表5 螺旋齒輪參數(shù)表

圖5 螺旋齒模具幾個(gè)關(guān)鍵件

3.2 螺旋齒輪成形模

3.2.1 模具關(guān)鍵件設(shè)計(jì)說明

（1）根據(jù)參考文獻(xiàn)選用材料[12-13]。螺旋齒壓制模如圖6 所示，本文主要討論的關(guān)鍵件為上模沖、下模沖、中模、壓芯和中模板，材料的選用及技術(shù)要求如表6所示。

圖6 模具結(jié)構(gòu)示意圖

表6 螺旋齒模具關(guān)鍵件材料及要求

（2）尺寸確定。如圖5 所示，上模沖、下模沖、中模3 個(gè)零件的設(shè)計(jì)參數(shù)值均相同，具體為：齒數(shù)Z=11、模數(shù)m=0.4 mm、壓力角α=20.2°、螺旋角β=21.04°（右旋）、法向公法線長度（跨3 齒）。其余參數(shù)如分度圓直徑d、齒頂圓直徑da、齒根圓直徑df、上/下模沖的內(nèi)孔直徑Dn和壓芯桿部直徑Dw等均可在圖5中查找。

3.2.2 成形模具設(shè)計(jì)說明

（1）材料選用。上模沖和下模沖設(shè)計(jì)有一個(gè)直徑為1.98 mm 的內(nèi)孔，該孔與壓芯的桿部呈間隙配合，壓芯材料為SKH-9 鉬系高速鋼，附著涂層AlCrN，高硬度和良好的韌性、耐磨性和抗磨損性。

（2）中模（陰模）4、上模沖2與下模沖6分別設(shè)計(jì)了內(nèi)螺旋齒形或外螺旋齒，3 零件齒部的齒數(shù)、模數(shù)、壓力角、螺旋角及旋向均一致。上模沖2、下模沖6 外齒與中模型腔的內(nèi)齒之間的配合設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)軸向自由滑動的間隙配合，如圖5 所示。受平面止推軸承10、11、12 的限制，上模沖、下模沖和壓芯3 個(gè)零件不能相對于各自固定板作軸向移動，但可繞各自中心自由旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。

（3）導(dǎo)向槽作用是確保上模沖2 下移至中模4 時(shí)，上模沖2的外齒與中模4型腔的內(nèi)齒無干涉的嵌合。如圖5（a）所示，受導(dǎo)向槽的限制，上模沖2下移至中模4之前只能做直線運(yùn)動，不能旋轉(zhuǎn)；當(dāng)上模沖2 下移進(jìn)入中模4，瞬時(shí)脫離導(dǎo)向槽，此時(shí)受到中模4 內(nèi)齒的約束，進(jìn)行下移旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，運(yùn)動軌跡與齒輪螺旋角一致。

（4）下模沖上部始終在中模型腔內(nèi)，當(dāng)粉料齒坯壓制完成，中模板下移，下模沖受到中模的內(nèi)齒帶動螺旋，并將粉料齒坯螺旋上升頂出中模，確保粉料齒坯不損傷。

3.2.3 成形模工作過程

模具結(jié)構(gòu)如圖6 所示，采用機(jī)械式自動成形壓機(jī)制作粉料壓坯。壓機(jī)的動作可以分為裝粉、成形和脫模。

（1）裝粉。上模沖2 上升運(yùn)動至上死點(diǎn)位置，中模4 由下往上運(yùn)動至設(shè)定位置（該位置可根據(jù)粉料裝載進(jìn)行調(diào)節(jié)），機(jī)械手將粉料推入中模4 的型腔。下模沖6 在軸向方向沒有發(fā)生移動，中模4 是固定在中模板5 上，隨著中模2 往上運(yùn)動，下模沖6會順著螺旋方向旋轉(zhuǎn)。

（2）成形。成形時(shí)，在壓機(jī)油缸作用下上模沖2 下移，進(jìn)入中模4 后，并對模腔中的粉末進(jìn)行壓縮，與此同時(shí)，上模沖2 除了下壓的同時(shí)還順著螺旋方向旋轉(zhuǎn)，當(dāng)下模沖6 對粉末壓縮一定距離后中模開始浮動，與上沖一起對粉末壓縮成形（上沖壓縮粉末的位移量和中模向下浮動的量可依據(jù)產(chǎn)品的長度調(diào)節(jié)），成形過程下模沖沒有軸向運(yùn)動，但隨著中模向下浮動會順著螺旋方向旋轉(zhuǎn)。

（3）脫模。脫模時(shí)上模沖向上移動并順著螺旋方向旋轉(zhuǎn)退出中模，同時(shí)中模向下拉將產(chǎn)品脫出模腔。在中模下拉過程，下沖在軸向方向固定不動，但會順差模腔旋轉(zhuǎn)，將產(chǎn)品頂出模腔。

4 結(jié)束語

（1）原有的掃地機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)微型螺旋齒輪采用鋼材經(jīng)滾齒加工完成，本文研究了采用鐵基粉末冶金制作該齒輪，提高了材料利用率，降低了能耗和制作成本。

（2）根據(jù)成形后產(chǎn)品的彈性后效和燒結(jié)收縮率，采用變壓力角設(shè)計(jì)方法進(jìn)行模具型腔設(shè)計(jì)時(shí)，即將模腔齒形的壓力角設(shè)計(jì)為20.2°，經(jīng)過坯件脫模和燒結(jié)膨脹后，最終制品螺旋齒輪的壓力角為20°。采用變壓力角設(shè)計(jì)齒輪壓坯的齒形與預(yù)期基本重合，可使燒結(jié)后的制品齒形較精準(zhǔn)，確保了齒輪嚙合精度，提高了制品的質(zhì)量。

（3）設(shè)計(jì)了粉末冶金螺旋齒輪制品的成形模具，并對該模具關(guān)鍵零件的設(shè)計(jì)、導(dǎo)向槽作用和脫模機(jī)構(gòu)作了分析與說明。

（4）量產(chǎn)測試表明：螺旋齒輪密度為6.8～7.0 g/cm3，硬度為50～70 HRB，耐磨性好，強(qiáng)度和精度均滿足使用要求，實(shí)現(xiàn)了該螺旋齒輪年產(chǎn)量100萬只。