粉末冶金齿轮设计 指南

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1、粉末冶金齿轮设计指南粉末冶金齿轮设计指南 编制 李宏成编制 李宏成 2014 01 15 目录目录 1概述 2 粉末冶金齿轮工艺流程 2 1 混料 2 2 成形 2 2 1 成形方式 2 2 2 成形条件 2 3 烧结 2 3 1 烧结基本原理 2 3 2 铜基烧结 2 3 3 铁基烧结 2 3 4 高温烧结 2 3 5 烧结气氛 2 4 精整 2 5 热处理 2 6 蒸汽处理 2 7 浸油 3 原料及选用标准 3 1 原料标准类型 3 2 材质的选用 3 3 MPIF JIS DIN标准材质对照表 4 粉末冶金齿轮设计方法及步骤 5 粉末冶金齿轮的公差 6 直齿轮 斜齿轮精度等级不同标准对照

2、表 7 行星齿轮内孔与行星齿轮轴的配合尺寸 8 粉末冶金齿轮的检测 9 粉末冶金齿轮的设计原则 10 粉末冶金产品面取设计实例 11粉末冶金产品毛刺的形成机理 概 述 概 述 粉末冶金法制造齿轮是一种高效 精密 灵活的金属加工工艺 适于大批量低成本生产高强度 高精度公差的齿轮 目前 用粉末冶金法制造的齿轮种类有 直齿轮 斜齿轮 螺旋角小于35 面齿轮 直齿锥齿轮 螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮 当齿轮含有凹槽 通孔 台阶或者凸台时 这种 工艺更显示出其优越性 随着金属粉末材料的不断改进和粉末冶金成形技术与设备的快速发展 用粉 末冶金工艺制造的齿轮质量不断提高 齿轮品种也日渐增多 目前 粉末冶金齿轮已

3、被机械制造业 特别是汽车 摩托车 电动工具 小家电行业普遍认同 粉末冶金齿轮制造技术日臻完善 粉末冶金 齿轮的市场不断扩大 在传统的制造方法中 齿轮首先通过铸造 锻造和冲压等方式来获得毛坯 然后将这些毛坯通过 滚齿 插齿等方法加工而成 为了能在精密和高速运转的情况下使用 齿轮还要经过剃齿和磨齿这些 二次加工来完成 按照这些方法来生产齿轮存在如下不足之处 加工周期长 特别是对难加工的材 料更是如此 材料利用率低 机加工齿轮齿部会存在不良的刀痕 与传统的齿轮制造工艺相比 粉末冶金齿轮具有一系列的优点 因此在机械制造工业 特别是汽 车 摩托车 电动工具 办公机械 家用电器和机床等行业得到了广泛的应用

4、 粉末冶金齿轮的优点 粉末冶金齿轮的优点 1 适合大批量生产 生产效率高 成本低 2 当齿轮具有不规则曲线 不规则的孔 花键 键槽 径向和轴向上凸台和凹槽等形状以及成 形复合齿轮之类的齿轮时 用粉末冶金法制造 不需或只需少量切削加工 3 由于可近终成形成品齿轮 粉末冶金法制造齿轮的材料利用率可高达95 以上 4 粉末冶金齿轮的重复性和尺寸均一性非常好 避免了机加工齿轮过程中 由于切削刀具的磨 损 加工装置的刚性差 机床的轴承间隙不同和人为因素所造成的齿轮形状 尺寸和精度的不同 5 粉末冶金可将几个零件一体化制造 生产出多联齿轮或复合齿轮 6 粉末冶金齿轮的密度可控 利用这一点可制造用于特殊场合

5、的多孔性齿轮或将齿轮的不同部 分做成不同密度 如齿毂部分具有较低的密度 可浸润滑油以增强自润滑 而齿部具有较高密度 以 提高韧性和冲击强度 7 减少或消除了传统切削加工中不可避免的刀痕 改善了粉末冶金齿轮齿面的表面粗糙度 与同等质量的机加工齿轮相比 粉末冶金齿轮的多孔性结构的声音阻尼作用可以降低齿轮运 转时的噪声 此外 粉末冶金齿轮的表面粗糙度较小和齿形一致性良好 也能使齿轮运转中的整体噪 声减小 由于材料的密度降低或可根据需要设计齿轮的减重孔 或相近形状 使得粉末冶金齿轮的 整体质量减小 粉末冶金齿轮的不足 粉末冶金齿轮的不足 中低产量生产时并不经济 与机加工工艺相比 粉末冶金工艺制造齿轮的

6、最小经济批量取决 于零件的大小 复杂程度 精度以及其它性能要求 在很多小批量的场合 粉末冶金齿轮的生产成本 可能比传统制造方法的成本高 粉末冶金齿轮的尺寸大小受到压机压制能力的限制 由于压制和模具上的原因 一般不适宜生产蜗轮 人字形齿轮和螺旋角大于35 的斜齿轮 因为模腔深度和压机行程必须是齿轮厚度的2 2 5倍 同时考虑到齿轮高度纵向密度的均匀 性 所以齿轮的厚度受到限制 2 粉末冶金齿轮工艺流程粉末冶金齿轮工艺流程 混料混料 成形成形 烧结烧结 浸油浸油浸油浸油浸油浸油热处理热处理蒸汽处理蒸汽处理 出货出货精整精整机加工机加工浸油浸油浸油浸油 清洗清洗清洗清洗出货出货出货出货 浸油浸油浸油

7、浸油 出货出货出货出货 常温成形温压成形 铜系烧结高温烧结铁系烧结 2 1 混料混料 在压制成形前必须对原料进行混合 例如 在生产铁基制品时 根据产品的性能要求 确定出粉 末混合料的化学成分 然后 根据此成分配制混合料 混合料中除铁粉 石墨粉以外 为了改善铁粉 的压制性 使产品密度分布均匀和使产品最终孔隙互相连通 需加入少量硬脂酸锌 硬脂酸钙 硬脂 酸钡效果较差 在生产中 有时还加入少量的硫 以减小摩檫 改善压坯的密度分布 同时 硫在 烧结过程中 生成硫化铁 它是一种良好的固体润滑剂 可提高制品的减摩性能 有时在铁粉中加入少 量的机油 使铁粉和石墨粉的混合均匀性得到改善 2 2 成 形成 形

8、2 2 1 成形方式成形方式 1 单向压制成形 单向压制成形 单向压制时 阴模和下模冲不动 由上模冲单向加压 在这种情况下 因摩擦力 的作用使制品上下两端密度不均匀 即压坯直径越大或高度越小 压坯的密度差 越小 所以要求单向压制的压坯 棒状的H D 1 套类的H 3 H 压坯 高度 D 压坯直径 套的壁厚 单向压制的优点是模具简单 操作方 便 生产效率高 缺点是只适于压制高度小或壁厚大的制品 2 双向压制成形 双向压制成形 双向压制 图5 4 时 阴模固定不动 上下冲模以大小相等方向相反的压力 同时加压 这种压坯中间密度低 两端密度高而且相等 3 浮动压制成形 浮动压制成形 下模冲固定不动 阴

9、模用弹簧 气缸 油缸等支撑 受力后可以浮动 当上模冲加压时 由于侧压力而使粉末 与阴模壁之间产生摩擦力Fs 此时 Fs阻止粉末向下移 动 与上模冲压力Ps方向相反 当Fs大于浮动压力Pf时 弹 簧压缩 阴模与下冲模产生相对运动 等于下冲头反向压 制 此时 上模冲与阴模没有相对运动 Fs的方向朝下 当阴模下降 压坯下部进一步压缩时 在压坯外径处产生 阻止阴模下降的摩擦力FX 当Fx Fs时 阴模浮动停止 上模冲又单向加压 与阴模产生相对运动 如此循环 直 到上模冲不再增加压力时为止 此时 FS Fx PS PX 低 密度带在压坯的中部 其密度分布与双向压制相同 浮动压制是国内外最常用的一种形式

10、其优点是 1 压坯密度分布和双向压制一样 2 压机下部有较小的浮动压力和脱模压力即可 3 装料方便 可用料腔由零开始的零腔装料法装料 2 2 2 成形条件成形条件 1 常温成形 常温成形 常温成形压制出来的生胚密度在5 8 7 0g cm3之间 金属粉末通常是在单位压力275 690Mpa下压制 压坯密度与成形压力的关系 第第I阶段 阶段 粉末颗粒主要发生位移 填充孔隙 压坯的密度增加很快 a曲线部分 第第II阶段 阶段 压坯经第I阶段压制后 密度已达一定值 这时粉体出现了一定的压缩阻力 在此阶段内压力虽然继续 增加 但是压坯密度增加很小 b曲线部分 这是因为此时粉末颗粒间的位移已大大减小 而

11、其大量的变形尚未 开始 第第III阶段 阶段 当压力超过一定值后 压坯密度又随压力增加而继续增大 c曲线部分 随后又逐渐平缓下来 这是 因为压力超过粉末 颗粒的临界应力时 粉末颗粒开始变形 而使压坯密度继续增大 但是当压力增加到一定的程 度 粉末颗粒剧烈变形造成的加工硬化 使粉末进一步变形发生困难 所以压坯密度又逐渐平缓下来 2 温压成形 温压成形 温压成形需加热模具 原料到100 150 下成形 压制出来的生胚密度在7 0 7 35g cm3之间 生坯密度越高 烧结体的强度和硬度也越高 烧结收缩率小 尺寸稳定 变形小 一般来说粉末冶金 产品的机械性能随生胚的密度提高而提高 温压模具与普通模具

12、相比寿命要短些 因为成形本身密度高模具承受的径向涨力 压制 脱模的摩擦 力要大 因此模具损耗要大些 成形需要用到的设备有 成形机台 模具成形需要用到的设备有 成形机台 模具 成形过程中需监控的项目有 轴向尺寸 即全长 段长 密度等 成形机台吨位越大 所 能成形的产品也越大 成形模具组合 下冲 芯棒 上冲 中模 成形模具组合 上冲中模下冲芯棒 成形三步曲成形三步曲 1 充填 2 压制 3 脱模 充填状态 将粉末充填在模腔中 压制状态 上冲进入中模将粉末压制成生胚 脱模状态 上冲复位 中模下 移 生胚脱出模腔 半自动收料装置 成形生胚暂置台车 2 3 烧 结烧 结 2 3 1 烧结基本原理烧结基本

13、原理 烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一 烧结对最终产品的性能起着决定性 作用 因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的 相反 烧结前的工序中的某 些缺陷 在一定的范围内可以通过烧结工艺的调整 例如适当改变温度 调节升降温时间 与速度等而加以纠正 烧结是粉末或粉末压坯 加热到低于其中基本成分的熔点温度 然后以一定的方法和 速度冷却到室温的过程 烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结 烧结体的强度增加 在烧 结过程中发生一系列物理和化学的变化 把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体 从而 获得具有所需物理 机械性能的制品或材料 烧结时 除了粉末颗粒联结外 还可能发生 致密化 合金化 热处理

14、联接等作用 人们一般还把金属粉末烧结过程分类为 1 单 相粉末 纯金属 古熔体或金属化合物 烧结 2 多相粉末 金属 金属或金属 非金 属 固相烧结 3 多相粉末液相烧结 4 熔浸 2 3 2 铜基烧结铜基烧结 主要烧结Cu基产品 烧结温度一般为890 C 烧结时间 从产品入炉到烧结结束大 概2 5 3小时之间 2 3 3 铁基烧结铁基烧结 主要烧结Fe基产品 烧结温度一般为1120 C 烧结时间 从产品入炉到烧结结束大 概3 5 4小时之间 T烧 0 7 0 8 T熔 式中 T烧 制品烧结温度 T熔 制品中主成份的熔点 2 3 4 高温烧结高温烧结 主要烧结不锈钢产品及一些高性能的Fe基产品

15、 烧结温度一般为1250 C 烧结时间 从产品入炉到烧结结束大概10小时左右 2 3 5 烧结气氛烧结气氛 烧结气氛是烧结制品时必不可少的条件之一 对烧结制品的组织和性能均有很大影响 烧 结铁基制品时 希望不发生氧化 脱碳 渗碳等反应 并可使铁粉颗粒表面的氧化物得到 还原 因此烧结气氛应具有还原性 还原性气氛主要有 氢 分解氨 发生炉煤气和碳氢 化合物转化气等 分解氨烧结气氛 分解氨是由液氨气化在催化剂作用下加热 分解得到的含氢气75 氮气25 的混合气 其化学反应为2NH3 3H2 N2 22千卡 液氨分解工艺流程为 液氨瓶分解炉冷却器净化系统氨分解气 碳氢化合物烧结气氛 是一种相对便宜的烧

16、结气氛 可在特殊发生器中 使用催化剂 通过不完全燃烧燃料瓦斯气与空气的混合气而产生 通常的燃气是甲烷 CH4 炳烷 C3H8 或天然气 燃烧产品含有 H2 H2O CO CO2 N2或CH4 烧结过程需用到的设备有 烧结炉 网盘 烧结过程需监控的项目有 径向尺寸 硬度等 减压气化 烧结网盘成形生胚 烧结产品入炉 烧结产品出炉烧结产品装箱 烧结产品准备入炉 2 4 精 整精 整 粉末压坯经烧结后 表面比较光滑 已有一定尺寸精度 但有时仍然达不到所要求的尺寸和形 状精度 因此 还必须进行精整或复压 通过精整可得到高尺寸精度 可补尝烧结中出现的挠曲或其 他尺寸缺陷 一般密度可提高0 5 精整适用于一些齿形精度较高或尺寸精度较高但不需要机加工 的产品 此工艺受产品结构的影响较大 同时产品后处理工艺一般不建议进行热处理 产品一般是含 油轴承 连杆 高精度直齿轮 精整设备包括 加工机 精整模具 精整过程需监控的项目有 轴向尺寸 径向尺寸等 上冲 中模 下冲 芯棒 精整模具组合 产品 上冲 中模 产品 产品精整产品精整 2 5 热 处 理热 处 理 热处理是显著提高铁基粉末冶金零件材料力学性能的工艺