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粉末冶金汽車同步器齒轂在生產(chǎn)中的問題及解決方案 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)制造技術的趨勢。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需求空間越來越大。然而，在實際生產(chǎn)中還有一些技術難點制約了質(zhì)量的穩(wěn)定和生產(chǎn)的效率。本文針對生產(chǎn)中的遇到的技術問題提出我們的觀點和解決方案。 關鍵詞：粉末冶金齒轂 裂紋 斑點 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成中換擋變速時，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（以下簡稱齒轂）是同步器中重要的零件之一。其工作時轉速一般為 3500r/min 傳動扭矩為145n.m ； 機械性能要求：強度394.2mpa 硬度: (高頻淬火)>HRA60, (整體淬火)HRC40 ；技術要求：密度 6.8以上。精度要求：齒部精度8級以內(nèi)，外觀要求：無裂紋、雜質(zhì)、磕碰等缺陷，表面質(zhì)量好。 齒轂是典型的H型粉末冶金結構件，結構復雜,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、臺肩多、高度差大，大部分齒轂端面有3-4個臺肩，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級以內(nèi)。關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。在實際生產(chǎn)中一些質(zhì)量問題如裂紋、斑點、麻點等，嚴重影響了生產(chǎn)的順暢，同時廢品率居高不下。為此公司在齒轂開發(fā)生產(chǎn)初期就將裂紋問題做為技術公關的首要任務； 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,這樣沖在壓機泄壓回程時的彈性變形不一致，導致彈性變形小的模沖在工件脫模過程中與工件存在間隙，以公司的一種產(chǎn)品為例分析脫模過程中裂紋的產(chǎn)生： 例：單位成型力：0.6KN/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 由計算可知工件脫模過程中，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、彈性形變補償機構的應用 后期我們開發(fā)了彈性形變平衡機構，該機構的原理是在彈性變形小的沖底面設計安裝彈性體，在壓機泄壓回程過程中，依靠彈性體的彈性變形補償沖變形量之差。確保脫模時產(chǎn)品下平面始終與模沖保持接觸狀態(tài)。 彈性體補償了沖自身彈性變形之差，保證了外沖在脫模過程中與工件保持接觸狀態(tài) （ 圖4） 二、工件表面斑點的產(chǎn)生及解決方案 生產(chǎn)中我們曾遇到這樣的質(zhì)量問題。在齒轂產(chǎn)品的壓制過程中。出現(xiàn)這樣的質(zhì)量問題。在工件的齒側及端面出現(xiàn)鱗片狀斑點。緊貼于工件表面。在燒結、拋光后黑斑點打掉。留下同體積的凹坑。造成產(chǎn)品的報廢。 鱗片產(chǎn)生的過程：這種鱗片狀斑點主要成分為石墨和微粉的混合物。這種混合物在充填的過程中，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。脫模過程中，外沖與陰模的相對運動產(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)生松動但沒有脫落，還有一部分隨沖的移動落到模架上。其中，貼附于模壁的鱗片在下一個壓制成型循環(huán)中，被擠壓在外齒表面。形成外齒斑點。而產(chǎn)生松動的鱗片在成型過程中，在產(chǎn)品的端面形成斑點。 產(chǎn)生原因分析：斑點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壓向擠壓。 1、模具間隙大，模具間隙大于粉材的顆粒度時。在充填過程中就會有粉材落到模壁中。 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，加工變形或使用過程中的變形。導致間隙不均勻。在間隙較大的位置形成鱗片。如圖5可知，外沖的壁薄，形狀復雜，外形為漸開線齒形，壁厚最薄處僅為2mm，大徑在110mm，由三個鍵槽將整個沖等分獨立的三部分，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0.03。形狀偏差直接導致配合間隙不均勻，進而導致斑點的產(chǎn)生。此外，沖在使用過程中或保存不當而產(chǎn)生的變形，也會出現(xiàn)同樣的問題。 （圖5：下外沖） （圖6：陰模） 充填時，外沖與陰模、外沖與二沖之間，間隙大或間隙不均勻，會有較多的微粉落到間隙中，成型過程中，外沖受壓變形，對間隙中的微粉側向擠壓，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。模具安裝精度也會導致模具間隙不均勻。 應對措施：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、形狀復雜。按原有加工方式會產(chǎn)生較大的變形。給鉗修工作帶來很大難度，同時影響最終的模具尺寸和配合精度。所以我們改進了外沖的加工工藝。第一、增加粗加工后的去應力回火工序，減小精加工的應力變形。第二、電火花精加工時，內(nèi)孔和外齒同時由電火花完成，避免由于電加工變形對外沖最終精度的影響。 改進設計：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20-25即可。配合面加長增加加工難度，形狀精度和配合精度不好保證。這樣會產(chǎn)生因模具間隙不均勻而導致的鱗片的產(chǎn)生現(xiàn)象。 通過研磨拋光提升模具表面質(zhì)量； 以上是針對模具生產(chǎn)、調(diào)試對工件表面斑點的原因分析，另有原材料中微粉含量超標也是產(chǎn)生斑點的主要原因之一。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”的產(chǎn)生 端面麻點產(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。側壓力及二沖泄壓時的彈性變形。使產(chǎn)品的外齒端部形成嚴重分層帶。在分層帶存在大量肉眼可見孔隙。在后序車加工中會表現(xiàn)出來。 解決的措施改進設計：減小二沖脫模力和彈性恢復外齒的側向力。在模沖設計時，二沖的成型部分設計拔模角，這樣脫模時，二沖與工件的內(nèi)側面始終保留間隙，不會產(chǎn)生側向力。也就避免的端面麻點的產(chǎn)生。 在成型處設計拔模角，減小脫模力 四、齒距精度的提高： 由于，齒轂產(chǎn)品設計有裝配滑塊的鍵槽。鍵槽兩側在燒結時，會有較大的變形，嚴重影響齒形精度。齒距精度10-11級。不能滿足圖紙要求。 端面麻點產(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 檢測報告： （圖10：右齒面） 鍵槽處 鍵槽處 鍵槽處 （圖11：左齒面） 由檢測報告可知，鍵槽兩側齒距明顯加大。且左、右齒面均存在這樣的問題。即在燒結過程中，鍵槽兩側的齒形有向鍵槽側的收縮變形（如圖1箭頭所示）。這種收縮變形是有產(chǎn)品的特殊結構導致的。如何解決這種收縮變形是提高齒轂產(chǎn)品齒距精度的關鍵。 產(chǎn)品的特殊結構所致； 解決措施：產(chǎn)品的結構是不能改的，只有根據(jù)齒形變化的規(guī)律，在模具設計中預先補償變鍵槽處齒形的變形量，補償由于變形帶來的對精度的影響。補償?shù)姆绞骄褪菍㈡I槽兩側到尺2-3個齒向變形的反向（即鍵槽外側）旋轉一個角度。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)成功應用于生產(chǎn)實際，并且申請專利。 結束語 粉末冶金行業(yè)在我國還是比較年輕的技術領域，我們公司在生產(chǎn)中也是不斷總結、積累經(jīng)驗。以上僅是其中部分有代表的技術問題展開。提出的觀點和措施有待進一步推敲驗證。也希望同行和各位專家不吝共同研究討論。