粉末冶金汽车同步器齿毂生产中的问题及解决方案

粉末冶金汽车同步器齿毂在生产中的问题及解决方案摘要：汽车同步器粉末冶金齿毂取代钢毂符合节能、环保和发展可持续制造技术的趋势。随着汽车行业的飞速发展及粉末冶金零件在汽车零部件中所占比重的不断增加。粉末冶金同步器齿毂的市场需求空间越来越大。然而，在实际生产中还有一些技术难点制约了质量的稳定和生产的效率。本文针对生产中的遇到的技术问题提出我们的观点和解决方案。关键词：粉末冶金齿毂 裂纹 斑点 齿形精度汽车同步器是汽车变速器中的重要装置。其作用是汽车行驶过成中换挡变速时，避免齿轮间的冲击，从而提升换档的舒适性、可操作性、降低噪音，同时避免由于换挡冲击而产生的打齿现象。粉末冶金汽车同步器齿毂（以下简称齿毂）是同步器中重要的零件之一。其工作时转速一般为 3500r/min 传动扭矩为 145n.m ； 机械性能要求：强度 394.2mpa 硬度: (高频淬火)HRA60, ( 整体淬火)HRC40 ；技术要求：密度 6.8 以上。精度要求：齿部精度 8 级以内，外观要求：无裂纹、杂质、磕碰等缺陷，表面质量好。齿毂是典型的 H 型粉末冶金结构件，结构复杂 ,主要表现在:1、壁厚差大，部分产品外齿部壁厚仅为 1.5MM；2、台肩多、高度差大，大部分齿毂端面有 3-4 个台肩，高度差在 3-15MM 不等，其中外齿与筋板处的高度差在 10MM 以上。3、密度高，密度在 6.9 以上。此外，该产品精度要求高，齿毂产品精度要求高，齿形部精度要求在 8 级以内。关键部位的形位公差在0.03 以内。由于该类产品的上述特点。在实际生产中一些质量问题如裂纹、斑点、麻点等，严重影响了生产的顺畅，同时废品率居高不下。为此公司在齿毂开发生产初期就将裂纹问题做为技术公关的首要任务；一、裂纹的产生及解决方案1、原因分析：裂纹产生的主要原因是由于台肩多，冲的高度差大，大部分产品模冲之间的高度差在100MM 以上,这样冲在压机泄压回程时的弹性变形不一致，导致弹性变形小的模冲在工件脱模过程中与工件存在间隙，以公司的一种产品为例分析脱模过程中裂纹的产生：例：单位成型力：0.6KN/MM2（密度 6.8-7.1） ，下一冲的高度 115Mm，下二冲高度240MM ;弹性变形分别为:L( 下一冲)=115*0.6/206=0.335MML (下二冲)=240*0.6/206=0.68MM由此可见，忽略密度差的情况下，冲的材质相同的情况下。脱模过程中外冲和工件端面存在0.34MM 的间隙。（图 1）（图 2）2、最初尝试的解决方案为解决此类裂纹的产生，最初我们尝试提高外齿密度使之在工艺要求的上限，降低筋板的密度使之在工艺要求的下限，这样由于外齿密度高，成型压力大，同样冲的弹性变形量也随之增加。外齿密度控制于 7.1 以上，筋板密度控制于 6.9 左右。成型力分别为 0.65KN/ mm 、0.55KN/mm ，但效果并不理想。泄压后外冲与工件的间隙0.34MM工件离开阴模后在外齿根部产生剪切裂纹（图 3：密度分布）公式验证：弹性变形分别为:L( 下一冲)=115*0.65/206=0.36MML (下二冲)=240*0.55/206=0.64MM由计算可知工件脱模过程中，外冲与工件端面仍然有 0.28 的间隙，所以不能从根本上杜绝裂纹的产生。3、弹性形变补偿机构的应用后期我们开发了弹性形变平衡机构，该机构的原理是在弹性变形小的冲底面设计安装弹性体，在压机泄压回程过程中，依靠弹性体的弹性变形补偿冲变形量之差。确保脱模时产品下平面始终与模冲保持接触状态。（ 图 4）二、工件表面斑点的产生及解决方案弹性体补偿了冲自身弹性变形之差，保证了外冲在脱模过程中与工件保持接触状态密度6.9g/cm密度7.0 g/cm 密度6.8 g/cm生产中我们曾遇到这样的质量问题。在齿毂产品的压制过程中。出现这样的质量问题。在工件的齿侧及端面出现鳞片状斑点。紧贴于工件表面。在烧结、抛光后黑斑点打掉。留下同体积的凹坑。造成产品的报废。鳞片产生的过程：这种鳞片状斑点主要成分为石墨和微粉的混合物。这种混合物在充填的过程中，沿模具间隙落到阴模与外冲的间隙中。在加压成型工步，由于模冲受压变形间隙变小。间隙中的混合物被挤压成鳞片状固体。并紧贴附于阴模壁和外冲外壁。脱模过程中，外冲与阴模的相对运动产生的摩擦使一部分薄片被拉掉，落入模架下边。一部分仍然贴附于冲和模壁。另外有一部分产生松动但没有脱落，还有一部分随冲的移动落到模架上。其中，贴附于模壁的鳞片在下一个压制成型循环中，被挤压在外齿表面。形成外齿斑点。而产生松动的鳞片在成型过程中，在产品的端面形成斑点。产生原因分析：斑点的形成的条件是模具间隙中有粉末和外冲受压变形后的侧压向挤压。1、模具间隙大，模具间隙大于粉材的颗粒度时。在充填过程中就会有粉材落到模壁中。2、模具表面粗糙度差。模具表面粗糙度差导致落到间隙中的微粉堆积，为形成鳞片创造条件。3、模具形状精度差，加工变形或使用过程中的变形。导致间隙不均匀。在间隙较大的位置形成鳞片。如图 5 可知，外冲的壁薄，形状复杂，外形为渐开线齿形，壁厚最薄处仅为2mm，大径在 110mm，由三个键槽将整个冲等分独立的三部分，总高 110-120.被分隔开的部分高 80mm。由这些数据可知，这个冲的加工难度非常大，按传统的先磨加工内孔后电火花加工外齿形的工艺，内孔将产生较大的圆度偏差，其偏差量超过 0.03。形状偏差直接导致配合间隙不均匀，进而导致斑点的产生。此外，冲在使用过程中或保存不当而产生的变形，也会出现同样的问题。（图 5：下外冲） （图 6：阴模）（图 7：阴模与下冲、芯棒的装配图） （图 8：阴模与下冲、芯棒的装配图）4、装模的影响。模具安装精度也会导致模具间隙不均匀。应对措施：提高模具加工精度包括模具间隙、形状精度、表面粗糙度。由于产生鳞片的下一冲壁薄、形状复杂。按原有加工方式会产生较大的变形。给钳修工作带来很大难度，同时影响最终的模具尺寸和配合精度。所以我们改进了外冲的加工工艺。第一、增加粗加工后的去应力回火工序，减小精加工的应力变形。第二、电火花精加工时，内孔和外齿同时由电火花完成，避免由于电加工变形对外冲最终精度的影响。改进设计：减小模具配合面的高度由 40 改为 25。模具配合面保证外冲的定位即可，经验20-25 即可。配合面加长增加加工难度，形状精度和配合精度不好保证。这样会产生因模具间隙不均匀而导致的鳞片的产生现象。通过研磨抛光提升模具表面质量；以上是针对模具生产、调试对工件表面斑点的原因分析，另有原材料中微粉含量超标也是产生斑点的主要原因之一。所以生产中还要注意原材料的质量监控。三、端面“麻点”的产生端面麻点产生的部位：产品的外齿端面 A 处，距离工件表面 0.1-3mm 的位置。由于零件的筋板台阶高，所以此处成型的二冲与外齿的接触面积大，故脱模力大。侧压力及二冲泄压时的弹性变形。使产品的外齿端部形成严重分层带。在分层带存在大量肉眼可见孔隙。在后序车加工中会表现出来。解决的措施改进设计：减小二冲脱模力和弹性恢复外齿的侧向力。在模冲设计时，二冲的成型部分设计拔模角，这样脱模时，二冲与工件的内侧面始终保留间隙，不会产生侧向力。也就避免的端面麻点的产生。阴模下外冲下二冲下三冲芯 棒充填时，外冲与阴模、外冲与二冲之间，间隙大或间隙不均匀，会有较多的微粉落到间隙中，成型过程中，外冲受压变形，对间隙中的微粉侧向挤压，最终形成鳞片。四、齿距精度的提高：由于，齿毂产品设计有装配滑块的键槽。键槽两侧在烧结时，会有较大的变形，严重影响齿形精度。齿距精度 10-11 级。不能满足图纸要求。（图 9） （图 10）检测报告：（图 10：右齿面）键槽处键槽处 键槽处键槽处变形方向端面麻点产生的部位在成型处设计拔模角，减小脱模力（图 11：左齿面）由检测报告可知，键槽两侧齿距明显加大。且左、右齿面均存在这样的问题。即在烧结过程中，键槽两侧的齿形有向键槽侧的收缩变形（如图 1 箭头所示） 。这种收缩变形是有产品的特殊结构导致的。如何解决这种收缩变形是提高齿毂产品齿距精度的关键。产品的特殊结构所致；解决措施：产品的结构是不能改的，只有根据齿形变化的规律，在模具设计中预先补偿变键槽处齿形的变形量，补偿由于变形带来的对精度的影响。补偿的方式就是将键槽两侧到尺 2-3 个齿向变形的反向（即键槽外侧）旋转一个角度。调整的齿数和角度根据不同的齿数和材料有所不同。经调整后的齿距精度明显提高。（图 12：左齿面）键槽处键槽处 键槽处 键 槽 处 键 槽 处 键 槽 处键槽处键