1、前言

粉末冶金作为一种独特的零件制造技术,因其制品少、无切削,成本低,效率高,越来越受到设计和制造人员的重视。特别是近几十年来,汽车工业的飞速发展,带动了铁基粉末冶金行业的快速发展。品种多、产量大、精度高、性能好是粉末冶金汽车零件的特点,使铁基结构件的生产达到了新水平。某公司生产的汽车是引进日本技术制造的,我院为其配套生产了多种粉末冶金零件,以实现国产化。发动机上所用曲轴正时齿带轮(以下简称小带轮)和凸轮轴正时齿带轮(以下简称大带轮)就是其中的两种(实际上是两套,大小带轮成套使用。一套所用为方形齿槽,另一套所用为弧形齿槽,其他形状尺寸相近)。经分析,该零件属于高精度、高强度、大型复杂的铁基粉末冶金结构件。根据产品结构和性能特点及我院模具制造设备和生产条件,大带轮使用630ｔ四柱液压机上的半自动模架生产,小带轮在100ｔ四柱液压机上使用手动模生产。本文仅就研制过程中模具设计思想、产品性能控制、工艺难点及解决方法、最后达到的结果、取得的经验等进行简要总结。

2、零件结构和性能特点

大小齿形应符合日本标准,为“ＲＵ”齿形,齿数分别为40和20,齿的单个周节误差均为±0025ｍｍ,累积周节误差分别为±013ｍｍ和±011ｍｍ(90°圆周上),齿向平行度003(对中心孔)。材料和性能应符合日本标准ＪＭＰＡＩ-1970ＳＭＦ4040。

2.1结构特点

该大带轮属于高精度、高强度、大型复杂的多平行孔类铁基粉末冶金结构件,重710ｇ,外径120ｍｍ,高度24ｍｍ,4个异形孔加中心孔。轮辐仅6ｍｍ厚,且上下面有多个台阶和凸台,棱角处有微小台阶,尺寸精度和形位精度要求均较高。内孔的圆度、直线度及尺寸公差仅002ｍｍ。外圆圆柱度003ｍｍ,对中心孔的圆跳动为016ｍｍ。轮毂对中心孔的垂直度为005ｍｍ。该零件经压制及烧结后变形较大且各方向变化不均匀。在不去除材料(否则影响齿形)的条件下。如何保证外圆的圆柱度、公差及径向跳动量是该零件的最大难度所在。

小带轮是典型的多平行孔带齿类零件,重215ｇ,外径60ｍｍ,厚20±015ｍｍ,10个圆孔加中心孔,棱角处有微小台阶,双面有定时孔,壁厚较均匀,尺寸精度和形位精度要求均较高。内孔的圆度、直线度及尺寸公差002ｍｍ。外圆圆柱度0.03ｍｍ,且对中心孔的圆跳动量小于0.16ｍｍ。两端面对中心孔的垂直度、平行度小于005ｍｍ。同样,外圆不能去除材料,既要保证外径又要保证圆柱度及径向跳动量。

2.2性能特点

强度、硬度要求高,材质ＳＭＦ4040,硬度ＨＲＢ大于50。这就要求配制高性能的铁粉,并压制烧结成较高的密度。密度要求大于66ｇｃｍ3,实际要大于67ｇｃｍ3。压制压力,大带轮4000ｋＮ(400ｔｆ),小带轮1000ｋＮ(100ｔｆ)。并且装粉要均匀,保证密度均匀。烧结时加碳保护,防止脱碳降低硬度,并严格按工艺烧结。

3、模具设计要点

大带轮在6300ｋＮ(630ｔｆ)四柱液压机上用半自动模架压制。模具结构如图3所示,粉重710ｇ,容积法装粉,压力4000ｋＮ(400ｔｆ),双向浮动压制,拉下式脱模。外圆留精整余量,内孔留出磨量。具有上下面台阶、凸台、凹坑、定时孔等,采用车及电火花加工模具,压制成形出来。为解决外圆各方面变形不均匀问题,在模具上预留出反变形量,这一点线切割编程可以实现。烧结后可达到较理想状态,满足后序加工要求。模具单侧配合间隙002～003ｍｍ,光洁度0.4以上,各零件定位、联接要牢固。模冲壁厚较小,不应因联接减小模冲的刚性。关键部位校核抗拉强度。

小带轮暂时用手动模压制。粉重215ｇ,压力1000ｋＮ(100ｔｆ),双向压制。一次脱模,再次脱芯。外圆、内孔均留出精整余量。上下面的定时孔及小台阶,采用电火花加工模具,压制成形出来。在总结经验,充分考虑铁粉配方、弹性后效、烧结变形等因素的基础上,定出模具各部分尺寸。实践证明:模具结构合理,使用方便可*。精密进口线切割机床为模具的精确加工提供了有利条件。

4、材料与工艺过程

原材料的选择及工艺过程的制定对产品的精度、性能有直接重要的影响。应选用强度高、变形小、质量稳定、成本低的配方。材料采用鞍山机械制造公司冶金粉材厂的ＦＳＹ200·30Ａ一级水雾化铁粉并添加适量铜粉、镍粉、石墨粉、硬脂酸锌粉及适量机油等均匀混合而成。

大带轮生产工艺流程为:混粉→压制→烧结→去刺→光饰→精整外圆→磨内孔→清洗→浸油→包装。

小带轮生产工艺流程为:混粉→压制→烧结→去刺→光饰→精整外圆和内孔→平磨→清洗→浸油→包装。

烧结工艺为:入炉→预烧(900℃2ｈ)→烧结(1120℃3ｈ)→降温(900℃15ｈ)→冷却→出炉。

推杆式烧结炉,零件在炉内停留10ｈ,充分烧结,并制定严格的操作规程,控制冷却速度,调节碳势防止脱碳、氧化。

5、总结

大带轮经过两轮试制和两批400件试生产,小带轮经两轮试制和两批1000件试生产,经权威部门检测,产品的几何尺寸和形位精度均达到了图纸要求。经检测,抗拉强度、伸长率和烧结态硬度、性能均达到图纸要求。产品经有关厂家装机试验,运转良好,受到用户好评,目前已投入批量生产。实践证明:模具结构简单合理,使用方便;各项工艺方案合理有效,经济实用;产品质量稳定,替代了进口产品,节约了外汇。用粉末冶金方法生产这两种产品,材料利用率近100%,生产率高、成本低,效益好。这两种产品的研制成功为研制其他汽车的各种齿带轮打下了坚实的基础,同时也标志着我院研制大型高难度粉末冶金结构件的水平上了一个新台阶,积累了宝贵经验。该零件的投产,为我院取得了显著的经济效益和社会效益。

6、结论

(1)薄壁大型多平行孔类粉末冶金结构件的尺寸形状对原料配比、压坯密度、烧结工艺的变化十分敏感。模具结构和精度是保证产品质量的关键。

(2)齿带轮的生产工艺稳定,产品精度高、成本低,完全可替代进口产品,节约了外汇,社会效益和经济效益显著。