隨著汽車變速器行業(yè)發(fā)展，對(duì)作為核心零部件的齒輪的要求也日益增加。輕量化、低成本、低能耗、新材料等要求，成為其發(fā)展中新的挑戰(zhàn)。關(guān)于粉末冶金斜齒輪在汽車變速器內(nèi)的應(yīng)用，從粉末冶金齒輪的設(shè)計(jì)、工藝、驗(yàn)證等方面闡述其優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用限制。

　　隨著汽車變速器行業(yè)飛速發(fā)展，對(duì)作為核心零部件的齒輪的要求也日益增加。輕量化、低成本、低能耗、新材料等要求，成為其發(fā)展中新的挑戰(zhàn)。決定嘗試使用粉末冶金技術(shù)制造漸開(kāi)線斜齒輪。

　　粉末冶金技術(shù)，齒輪件重存在降低 8%~20%的潛在機(jī)會(huì)，亦可降低諸如 MT、AMT、DCT 等變速箱內(nèi)同步機(jī)構(gòu)慣量。同時(shí)，產(chǎn)品工藝鏈將縮短，齒輪制造所需的廠房面積、設(shè)備投資、能量消耗相較傳統(tǒng)鋼制齒輪加工工藝，均有所節(jié)約。此技術(shù)可能將會(huì)對(duì)未來(lái)齒輪制造業(yè)務(wù)，帶來(lái)巨大變化。

　　粉末冶金齒輪技術(shù)優(yōu)勢(shì)：① 材料總體利用率可達(dá) 95%以上;②不需要或只需極少量切削加工;③ 零件尺寸穩(wěn)定，一致性好，精度高;④生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)，所需成本比切削加工低。

　　一、粉末冶金齒輪應(yīng)用分析

　　由于在同等條件下粉末冶金材料力學(xué)性能可能低于鋼件，所以選擇了某款成熟前驅(qū)六速手動(dòng)變速器內(nèi)的“輸入四檔齒輪”(齒數(shù) 31，模數(shù) 1.85，壓力角 15°，螺旋角 34°)，改制為粉末冶金齒輪，并研究和分析其工藝及性能，同時(shí)與滲碳鋼齒輪進(jìn)行簡(jiǎn)要的對(duì)比分析。

　　材料的選擇

　　所選鐵基粉末由于需經(jīng)壓實(shí)、燒結(jié)和表面致密化處理，所以需要滿足以下幾個(gè)方面的要求。

　　(1)擁有良好的流動(dòng)性及壓制性，保證壓制出的齒輪各部位都能達(dá)到設(shè)計(jì)所需密度。

　　(2)粉末粗坯燒結(jié)后，其尺寸前后變化應(yīng)盡量接近于零，且硬度應(yīng)在 100~170 HV10，以防零件過(guò)硬而產(chǎn)生裂紋。

　　(3)材料經(jīng)致密化滾壓后，齒面能夠形成理論無(wú)孔隙層。

　　(4)所選的材料應(yīng)具有一定的淬硬性，保證熱處理后齒面能達(dá)到設(shè)計(jì)所需硬度，而零件芯部應(yīng)具有較高韌性。

　　(5)所選鐵基粉末需適應(yīng)表面熱處理需求。

　　基于上述因素，選擇 Astaloy 85 Mo+C 預(yù)合金鐵基粉末，其材料成分如表 1。

　　材料性能分析

　　在材料性能方面，為提升粉末冶金零件的楊氏模量 E、泊松比 ν 及疲勞性能，粉末冶金齒輪在齒面及齒根表面輪廓上需要通過(guò)特別工藝得到一個(gè)表面充分緊密、隨后向著芯部方向密度逐漸減小的深約1 mm 的致密層(如圖 1 所示)。

　　經(jīng)過(guò)分析和檢測(cè)，可將致密層大致分為五層，每層約 0.2 mm，運(yùn)用公式(1)和(2)得到可用于仿真分析計(jì)算的重要參數(shù)，如表 2：

　　式中，ρ 為粉末件密度;E₀、ρ₀、ν₀ 分別為鋼件楊氏模量、密度、泊松比。

　　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　粉末冶金制造采用一體成型技術(shù)，在特制的剛性封閉模具中將金屬粉末鑄造成型，所以零件結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)可以免去鋼件上的一些空刀槽，使結(jié)構(gòu)更緊湊。

　　同時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮避免以下問(wèn)題。

　　(1)避免局部材料薄壁，以便于裝粉壓實(shí)，并防止出現(xiàn)裂紋。

　　(2)盡量避免在側(cè)壁上設(shè)計(jì)溝槽和沉孔，因?yàn)楣饣膫?cè)壁有利于壓實(shí)或減少余料。

　　(3)應(yīng)盡量設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單且對(duì)稱的形狀結(jié)構(gòu)，避免截面積落差變化過(guò)大以及窄槽、球面等，以利于模具制造和壓實(shí)。

　　(4)在各側(cè)壁上的過(guò)渡交接處應(yīng)采用圓角設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)銳邊，防止模具和壓坯時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中。

　　仿真疲勞強(qiáng)度計(jì)算

　　傳統(tǒng)粉末冶金零件由于其內(nèi)部存在孔隙，所以在同等條件下其材料特性參數(shù)應(yīng)低于鋼件，即表面彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度往往比滲碳鋼齒輪要差。通過(guò)表面致密化處理后在該零件齒部與滾軋模接觸的表面幾乎達(dá)到全致密，再經(jīng)過(guò)合理的熱處理及齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，其彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度完全可以滿足相關(guān)使用壽命要求，并接近滲碳鋼件的水平。

　　參照 GB/T 14230 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法，獲得粉末冶金彎曲疲勞 SN 曲線，與 ISO6336 16Mn-Cr5(MQ)進(jìn)行對(duì)比，得到齒輪彎曲強(qiáng)度的對(duì)比結(jié)果，見(jiàn)圖 2。從結(jié)果上看，粉末冶金齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，接近滲碳鋼的水平。

　　二、粉末冶金齒輪工藝過(guò)程研究

　　通常，對(duì)于僅采用一次壓制、一次燒結(jié)的普通粉末冶金工藝生產(chǎn)出來(lái)的部件， 其密度基本都在 7.2 g/cm³ 以下，如變速器中的換擋鼓齒輪、同步器齒轂等應(yīng)用，其表面及內(nèi)部存在大量的孔隙，使其抗疲勞性能大大降低。而變速器傳動(dòng)齒輪，需要在高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下承受較高的載荷，容易產(chǎn)生斷齒、齒面點(diǎn)蝕等失效?；谝陨显?，粉末冶金變速器齒輪需要正確選擇材料，并在經(jīng)過(guò)壓制、燒結(jié)工藝后，再進(jìn)行表面致密化處理，最后進(jìn)行熱處理及后續(xù)的機(jī)加工處理，以得到優(yōu)良的力學(xué)性能。

　　新的輸入四檔齒輪，在將粉末冶金工藝與傳統(tǒng)齒輪加工工藝結(jié)合后，工藝過(guò)程如圖 3，從這種工藝路線可以看出，工藝路線大大縮短，減少了加工的復(fù)雜性，可以大大節(jié)約廠房和設(shè)備的投入。

　　“表面致密化處理”

　　此工序通過(guò)專門的齒輪滾壓機(jī)來(lái)完成，如圖 4 所示。兩個(gè)依據(jù)齒輪產(chǎn)品漸開(kāi)線幾何形狀而專門設(shè)計(jì)的主動(dòng)滾壓齒輪將“預(yù)加工齒輪”擠壓在中間。滾壓齒輪在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又將壓力施于“預(yù)齒輪”的齒面及齒根表面，產(chǎn)生表面滾壓致密的效果。

　　“熱處理”

　　對(duì)表面致密化后的齒輪需進(jìn)行滲碳處理，以提高其力學(xué)性能，工藝參數(shù)如圖 5。

　　經(jīng)過(guò)熱處理，零件表面硬度可達(dá)到 560~ 660 HV10，心部硬度將達(dá)到 250~320 HV10。綜合性能基本滿足使用要求。

　　“熱后硬車”

　　首先需去除銳邊毛刺。由于粉末冶金技術(shù)是一種粉末模壓技術(shù)，模具間存在配合間隙，所以當(dāng)粉末受壓成型時(shí)，成型件在模具配合間隙處將產(chǎn)生填充效應(yīng)，從而產(chǎn)生少量毛刺?？煽紤]采用滾磨、噴砂等恰當(dāng)?shù)臋C(jī)加工方式去除這些毛刺。

　　“珩齒”

　　粉末冶金齒輪經(jīng)過(guò)表面致密化處理時(shí)，由于材料的彈性與應(yīng)力釋放，輾軋后會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，致使齒面產(chǎn)生齒廓對(duì)中誤差。熱處理時(shí)的高溫變形，使得相應(yīng)誤差進(jìn)一步加大。采用珩齒工藝來(lái)消除這些誤差，這樣加工出來(lái)的粉末冶金齒輪齒面精度，與類似的鋼齒輪在同一水平。

　　三、品質(zhì)對(duì)比分析

　　選取輸入四檔齒輪鋼齒輪和粉末冶金齒輪各一件(實(shí)物如圖 6、圖 7 所示)，對(duì)品質(zhì)進(jìn)行比較。

　　質(zhì)量

　　鋼件 0.110 kg，粉末冶金件 0.082 kg，粉末冶金齒輪質(zhì)量減輕 25%;

　　齒根粗糙度

　　由于消除了傳統(tǒng)切削加工的刀痕，粉末冶金齒輪碾壓后的齒根粗糙度非常好，優(yōu)于滾齒加工的鋼齒輪，如圖 8。

　　鋼件齒輪：R_a=0.445 R_z=2.429  R_max=3.216

　　粉末冶金齒輪：R_a=0.349 R_z=2.433  R_max=2.761

　　輪齒成品精度

　　鋼齒輪與粉末冶金齒輪均采用熱處理后珩齒工藝，經(jīng)檢測(cè)，兩者成品齒面精度相當(dāng)，均可達(dá)到 DIN 3961 8 級(jí)水平。

　　花鍵精度

　　粉末冶金齒輪的齒形及精度，優(yōu)于鋼齒輪。如圖 9。

　　密度

　　相較于鋼件緊實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，粉末冶金零件內(nèi)部存在孔隙，每批次粉末冶金齒輪的齒部密度都必須抽檢，并重點(diǎn)關(guān)注。

　　基于阿基米德方法，可以找到一種分析計(jì)算粉末冶金件密度的方式，其步驟及原理概述如下。

　　(1)首先準(zhǔn)備好切割設(shè)備、工裝夾具、研磨拋光設(shè)備、光學(xué)顯微鏡和專業(yè)攝像頭。

　　(2)從齒部切制一個(gè)質(zhì)量大于5克的標(biāo)準(zhǔn)試塊，并在分度圓、與齒根圓角相切 30°的直線的法向方向，這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行密度梯度的檢測(cè)，如圖 10 所示。

　　(3)使用光學(xué)顯微鏡對(duì)相關(guān)區(qū)域放大 200 倍，再使用專業(yè)攝像頭進(jìn)行等距拍攝，由表(image 1)至里(image 5)分別拍攝五張照片，所得照片如圖 11 所示;(注：照片數(shù)量及大小可視零件情況而定)。

　　(4)圖 11 內(nèi)黑點(diǎn)為氣孔，通過(guò)特定軟件分析出單位尺寸照片內(nèi)氣孔所占面積百分比，從而根據(jù)公式(3)計(jì)算出真實(shí)的密度值。

　　ρ=7.83/100%×(100%-氣孔占比)         (3)

　　其中，7.83 g/cm³ 為此粉末材料理論最大密度。

　　在對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行逐一分析計(jì)算譜，最終可用圖表歸納總結(jié)出零件不同區(qū)域的密度梯度。并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比對(duì)。

　　四、測(cè)試結(jié)果

　　將粉末冶金輸入四檔齒輪裝配到相應(yīng)型號(hào)變速器中，并按照所匹配整車路譜生成的耐久載荷譜在專業(yè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了測(cè)試。連續(xù) 3 臺(tái)變速器通過(guò)了兩倍于耐久載荷譜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的耐久循環(huán)試驗(yàn)，滿足此款變速器使用壽命要求。

　　五、結(jié)論

　　(1)粉末冶金齒輪作為綠色環(huán)保的可持續(xù)性技術(shù)，將帶來(lái)更高的原材料利用率、更低的能量損耗。其更少的加工工序也意味著較少的設(shè)備投入和較小的廠區(qū)面積規(guī)劃，且其生產(chǎn)效率較高，成本效益明顯。

　　(2)通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，粉末冶金齒輪擁有充足設(shè)計(jì)余度、減重、降低應(yīng)力、抑制噪音、吸震等能力。在齒輪設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段，工程師們又多了一種新的選擇。

　　(3)粉末冶金齒輪需要投入大量模具，在設(shè)計(jì)未凍結(jié)階段，模具因設(shè)計(jì)變更而帶來(lái)的成本風(fēng)險(xiǎn)較大;由于中低產(chǎn)量零件采用粉末冶金工藝生產(chǎn)時(shí)經(jīng)濟(jì)性不高，推薦大批量需求時(shí)使用。

　　參考文獻(xiàn)略.