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粉末冶金汽車同步器齒轂在生產(chǎn)中的問(wèn)題及解決方案 摘要：汽車同步器粉末冶金齒轂取代鋼轂符合節(jié)能、環(huán)保和發(fā)展可持續(xù)制造技術(shù)的趨勢(shì)。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展及粉末冶金零件在汽車零部件中所占比重的不斷增加。粉末冶金同步器齒轂的市場(chǎng)需求空間越來(lái)越大。然而，在實(shí)際生產(chǎn)中還有一些技術(shù)難點(diǎn)制約了質(zhì)量的穩(wěn)定和生產(chǎn)的效率。本文針對(duì)生產(chǎn)中的遇到的技術(shù)問(wèn)題提出我們的觀點(diǎn)和解決方案。 關(guān)鍵詞：粉末冶金齒轂 裂紋 斑點(diǎn) 齒形精度 汽車同步器是汽車變速器中的重要裝置。其作用是汽車行駛過(guò)成中換擋變速時(shí)，避免齒輪間的沖擊，從而提升換檔的舒適性、可操作性、降低噪音，同時(shí)避免由于換擋沖擊而產(chǎn)生的打齒現(xiàn)象。粉末冶金汽車同步器齒轂（以下簡(jiǎn)稱齒轂）是同步器中重要的零件之一。其工作時(shí)轉(zhuǎn)速一般為 3500r/min 傳動(dòng)扭矩為145n.m ； 機(jī)械性能要求：強(qiáng)度394.2mpa 硬度: (高頻淬火)>HRA60, (整體淬火)HRC40 ；技術(shù)要求：密度 6.8以上。精度要求：齒部精度8級(jí)以內(nèi)，外觀要求：無(wú)裂紋、雜質(zhì)、磕碰等缺陷，表面質(zhì)量好。 齒轂是典型的H型粉末冶金結(jié)構(gòu)件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,主要表現(xiàn)在:1、壁厚差大，部分產(chǎn)品外齒部壁厚僅為1.5MM；2、臺(tái)肩多、高度差大，大部分齒轂端面有3-4個(gè)臺(tái)肩，高度差在3-15MM 不等，其中外齒與筋板處的高度差在10MM以上。3、密度高，密度在6.9以上。此外，該產(chǎn)品精度要求高，齒轂產(chǎn)品精度要求高，齒形部精度要求在8級(jí)以內(nèi)。關(guān)鍵部位的形位公差在0.03以內(nèi)。 由于該類產(chǎn)品的上述特點(diǎn)。在實(shí)際生產(chǎn)中一些質(zhì)量問(wèn)題如裂紋、斑點(diǎn)、麻點(diǎn)等，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)的順暢，同時(shí)廢品率居高不下。為此公司在齒轂開發(fā)生產(chǎn)初期就將裂紋問(wèn)題做為技術(shù)公關(guān)的首要任務(wù)； 一、裂紋的產(chǎn)生及解決方案 1、原因分析： 裂紋產(chǎn)生的主要原因是由于臺(tái)肩多，沖的高度差大，大部分產(chǎn)品模沖之間的高度差在100MM 以上,這樣沖在壓機(jī)泄壓回程時(shí)的彈性變形不一致，導(dǎo)致彈性變形小的模沖在工件脫模過(guò)程中與工件存在間隙，以公司的一種產(chǎn)品為例分析脫模過(guò)程中裂紋的產(chǎn)生： 例：?jiǎn)挝怀尚土Γ?.6KN/MM^2（密度6.8-7.1），下一沖的高度115Mm，下二沖高度240MM ; 彈性變形分別為:△L(下一沖)=115*0.6/206=0.335MM △L (下二沖)=240*0.6/206=0.68MM 由此可見，忽略密度差的情況下，沖的材質(zhì)相同的情況下。脫模過(guò)程中外沖和工件端面存在0.34MM的間隙。 泄壓后外沖與工件的間隙0.34MM （圖1） 工件離開陰模后在外齒根部產(chǎn)生剪切裂紋 （圖2） 2、最初嘗試的解決方案 為解決此類裂紋的產(chǎn)生，最初我們嘗試提高外齒密度使之在工藝要求的上限，降低筋板的密度使之在工藝要求的下限，這樣由于外齒密度高，成型壓力大，同樣沖的彈性變形量也隨之增加。外齒密度控制于7.1以上，筋板密度控制于6.9左右。成型力分別為0.65KN/ mm^ 、0.55KN/mm^ ，但效果并不理想。 密度>6.8 g/cm^ 密度>6.9g/cm^ 密度>7.0 g/cm^ （圖3：密度分布） 公式驗(yàn)證： 彈性變形分別為:△L(下一沖)=115*0.65/206=0.36MM △L (下二沖)=240*0.55/206=0.64MM 由計(jì)算可知工件脫模過(guò)程中，外沖與工件端面仍然有0.28 的間隙，所以不能從根本上杜絕裂紋的產(chǎn)生。 3、彈性形變補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 后期我們開發(fā)了彈性形變平衡機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的原理是在彈性變形小的沖底面設(shè)計(jì)安裝彈性體，在壓機(jī)泄壓回程過(guò)程中，依靠彈性體的彈性變形補(bǔ)償沖變形量之差。確保脫模時(shí)產(chǎn)品下平面始終與模沖保持接觸狀態(tài)。 彈性體補(bǔ)償了沖自身彈性變形之差，保證了外沖在脫模過(guò)程中與工件保持接觸狀態(tài) （ 圖4） 二、工件表面斑點(diǎn)的產(chǎn)生及解決方案 生產(chǎn)中我們?cè)龅竭@樣的質(zhì)量問(wèn)題。在齒轂產(chǎn)品的壓制過(guò)程中。出現(xiàn)這樣的質(zhì)量問(wèn)題。在工件的齒側(cè)及端面出現(xiàn)鱗片狀斑點(diǎn)。緊貼于工件表面。在燒結(jié)、拋光后黑斑點(diǎn)打掉。留下同體積的凹坑。造成產(chǎn)品的報(bào)廢。 鱗片產(chǎn)生的過(guò)程：這種鱗片狀斑點(diǎn)主要成分為石墨和微粉的混合物。這種混合物在充填的過(guò)程中，沿模具間隙落到陰模與外沖的間隙中。在加壓成型工步，由于模沖受壓變形間隙變小。間隙中的混合物被擠壓成鱗片狀固體。并緊貼附于陰模壁和外沖外壁。脫模過(guò)程中，外沖與陰模的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦使一部分薄片被拉掉，落入模架下邊。一部分仍然貼附于沖和模壁。另外有一部分產(chǎn)生松動(dòng)但沒(méi)有脫落，還有一部分隨沖的移動(dòng)落到模架上。其中，貼附于模壁的鱗片在下一個(gè)壓制成型循環(huán)中，被擠壓在外齒表面。形成外齒斑點(diǎn)。而產(chǎn)生松動(dòng)的鱗片在成型過(guò)程中，在產(chǎn)品的端面形成斑點(diǎn)。 產(chǎn)生原因分析：斑點(diǎn)的形成的條件是模具間隙中有粉末和外沖受壓變形后的側(cè)壓向擠壓。 1、模具間隙大，模具間隙大于粉材的顆粒度時(shí)。在充填過(guò)程中就會(huì)有粉材落到模壁中。 2、模具表面粗糙度差。模具表面粗糙度差導(dǎo)致落到間隙中的微粉堆積，為形成鱗片創(chuàng)造條件。 3、模具形狀精度差，加工變形或使用過(guò)程中的變形。導(dǎo)致間隙不均勻。在間隙較大的位置形成鱗片。如圖5可知，外沖的壁薄，形狀復(fù)雜，外形為漸開線齒形，壁厚最薄處僅為2mm，大徑在110mm，由三個(gè)鍵槽將整個(gè)沖等分獨(dú)立的三部分，總高110-120.被分隔開的部分高80mm。由這些數(shù)據(jù)可知，這個(gè)沖的加工難度非常大，按傳統(tǒng)的先磨加工內(nèi)孔后電火花加工外齒形的工藝，內(nèi)孔將產(chǎn)生較大的圓度偏差，其偏差量超過(guò)0.03。形狀偏差直接導(dǎo)致配合間隙不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致斑點(diǎn)的產(chǎn)生。此外，沖在使用過(guò)程中或保存不當(dāng)而產(chǎn)生的變形，也會(huì)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題。 （圖5：下外沖） （圖6：陰模） 充填時(shí)，外沖與陰模、外沖與二沖之間，間隙大或間隙不均勻，會(huì)有較多的微粉落到間隙中，成型過(guò)程中，外沖受壓變形，對(duì)間隙中的微粉側(cè)向擠壓，最終形成鱗片。 陰模 芯 棒 下外沖 下二沖 下三沖 （圖7：陰模與下沖、芯棒的裝配圖） （圖8：陰模與下沖、芯棒的裝配圖） 4、裝模的影響。模具安裝精度也會(huì)導(dǎo)致模具間隙不均勻。 應(yīng)對(duì)措施：提高模具加工精度包括模具間隙、形狀精度、表面粗糙度。由于產(chǎn)生鱗片的下一沖壁薄、形狀復(fù)雜。按原有加工方式會(huì)產(chǎn)生較大的變形。給鉗修工作帶來(lái)很大難度，同時(shí)影響最終的模具尺寸和配合精度。所以我們改進(jìn)了外沖的加工工藝。第一、增加粗加工后的去應(yīng)力回火工序，減小精加工的應(yīng)力變形。第二、電火花精加工時(shí)，內(nèi)孔和外齒同時(shí)由電火花完成，避免由于電加工變形對(duì)外沖最終精度的影響。 改進(jìn)設(shè)計(jì)：減小模具配合面的高度由40改為25。模具配合面保證外沖的定位即可，經(jīng)驗(yàn)20-25即可。配合面加長(zhǎng)增加加工難度，形狀精度和配合精度不好保證。這樣會(huì)產(chǎn)生因模具間隙不均勻而導(dǎo)致的鱗片的產(chǎn)生現(xiàn)象。 通過(guò)研磨拋光提升模具表面質(zhì)量； 以上是針對(duì)模具生產(chǎn)、調(diào)試對(duì)工件表面斑點(diǎn)的原因分析，另有原材料中微粉含量超標(biāo)也是產(chǎn)生斑點(diǎn)的主要原因之一。所以生產(chǎn)中還要注意原材料的質(zhì)量監(jiān)控。 三、端面“麻點(diǎn)”的產(chǎn)生 端面麻點(diǎn)產(chǎn)生的部位：產(chǎn)品的外齒端面A處，距離工件表面0.1-3mm的位置。由于零件的筋板臺(tái)階高，所以此處成型的二沖與外齒的接觸面積大，故脫模力大。側(cè)壓力及二沖泄壓時(shí)的彈性變形。使產(chǎn)品的外齒端部形成嚴(yán)重分層帶。在分層帶存在大量肉眼可見孔隙。在后序車加工中會(huì)表現(xiàn)出來(lái)。 解決的措施改進(jìn)設(shè)計(jì)：減小二沖脫模力和彈性恢復(fù)外齒的側(cè)向力。在模沖設(shè)計(jì)時(shí)，二沖的成型部分設(shè)計(jì)拔模角，這樣脫模時(shí)，二沖與工件的內(nèi)側(cè)面始終保留間隙，不會(huì)產(chǎn)生側(cè)向力。也就避免的端面麻點(diǎn)的產(chǎn)生。 在成型處設(shè)計(jì)拔模角，減小脫模力 四、齒距精度的提高： 由于，齒轂產(chǎn)品設(shè)計(jì)有裝配滑塊的鍵槽。鍵槽兩側(cè)在燒結(jié)時(shí)，會(huì)有較大的變形，嚴(yán)重影響齒形精度。齒距精度10-11級(jí)。不能滿足圖紙要求。 端面麻點(diǎn)產(chǎn)生的部位 鍵槽處變形方向 （圖9） （圖10） 鍵槽處 鍵槽處 鍵槽處 檢測(cè)報(bào)告： （圖10：右齒面） 鍵槽處 鍵槽處 鍵槽處 （圖11：左齒面） 由檢測(cè)報(bào)告可知，鍵槽兩側(cè)齒距明顯加大。且左、右齒面均存在這樣的問(wèn)題。即在燒結(jié)過(guò)程中，鍵槽兩側(cè)的齒形有向鍵槽側(cè)的收縮變形（如圖1箭頭所示）。這種收縮變形是有產(chǎn)品的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的。如何解決這種收縮變形是提高齒轂產(chǎn)品齒距精度的關(guān)鍵。 產(chǎn)品的特殊結(jié)構(gòu)所致； 解決措施：產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)是不能改的，只有根據(jù)齒形變化的規(guī)律，在模具設(shè)計(jì)中預(yù)先補(bǔ)償變鍵槽處齒形的變形量，補(bǔ)償由于變形帶來(lái)的對(duì)精度的影響。補(bǔ)償?shù)姆绞骄褪菍㈡I槽兩側(cè)到尺2-3個(gè)齒向變形的反向（即鍵槽外側(cè)）旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。調(diào)整的齒數(shù)和角度根據(jù)不同的齒數(shù)和材料有所不同。經(jīng)調(diào)整后的齒距精度明顯提高。 鍵槽處 鍵槽處 鍵槽處 （圖12：左齒面） 鍵槽處 鍵槽處 鍵槽處 （圖13：右齒面） 目前該工藝已經(jīng)成功應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，并且申請(qǐng)專利。 結(jié)束語(yǔ) 粉末冶金行業(yè)在我國(guó)還是比較年輕的技術(shù)領(lǐng)域，我們公司在生產(chǎn)中也是不斷總結(jié)、積累經(jīng)驗(yàn)。以上僅是其中部分有代表的技術(shù)問(wèn)題展開。提出的觀點(diǎn)和措施有待進(jìn)一步推敲驗(yàn)證。也希望同行和各位專家不吝共同研究討論。