粉末冶金齿圈的试制

685 编辑：中冶有色技术网来源：高源林思聪

2024-03-08 14:09:38

摘要：齿圈是应用于新能源电动汽车ABS系统中的重要零件。本文从工艺设计、成型方案设计、模具设计等多方面阐述了齿圈的试制过程。按工艺路线成功地试制出了基本符合要求的粉末冶金齿圈。

关键词：粉末冶金齿圈模具设计及试制

齿圈是应用于新能源电动汽车防抱死制动系统中的重要零件，用于改善汽车的制动性能从而提高车辆主动安全性能。它是一个运动部件，安装在轮毂上或轮轴上与车轮一起旋转，旋转时齿圈与磁铁的间隙也交替变换，磁感应强度也变化， ABS系统通过采集的磁感应强度信号来达到点刹的目的。为什么采用粉末冶金工艺制造？齿圈存在壁薄、齿多、材质软等特点，采用传统的机械加工的方法制造，不仅存在加工变形，整体尺寸和齿形一致性都不易保证，且齿型加工为断序切削，齿形表面光洁度差。采用粉末冶金工艺制造，可以实现一次成型内孔及齿形，避免了齿形后期加工，减少了原料损耗，缩短成产周期，大大降低了生产成本。

一、齿圈的技术要求

图一是产品简图，技术要求如下：

（1）材料FSY200.30，（2）表面防銹处理，（3）零件外表面清洁、无锈蚀、裂纹、毛刺等其他影响性能的缺陷。

二、工艺t90oYgkfvrslt9Y1QAhFpw==路线设计

粉末冶金基础工艺流程为：配料-压制-烧结，在此基础上可根据零件的具体情况进行工序的添加和调整。齿圈几何形状属于薄壁圆环类，必然会产生烧结变形。整形工艺可以校正零件的微小变形，对于变形量过大的零件，是无法通过整形工艺来校正的，必须由后续机械加工来保证。例如：根据生产经验，这一尺寸仅通过整形是无法保证其精度要求的，必须由后期机械加工来保证。综合考虑各种因素，初步拟定试制流程为：配料-压制-烧结-整形-机加工-表面处理。

三、成型方案及压模设计

1.压坯的设计：结合现有模架及产品几何形状设计压坯，如图二：

2.压制设备的选择：由形状尺寸可知，S截=3184mm2 。理论压制压力F=P*S=500MPa*3184mm2=159tf。因此，选用最大压制压力为315Tf的压机即可满足使用情况。

3.模具设计：设计前期做了大量的材料收缩试验，实验得，材料收缩系数为：内孔-0.09、外圆-0.045（注：此收缩系数是指模具尺寸到烧结后毛坯的尺寸，即压坯弹性后效量和烧结前后收缩量的代数和，+为外胀、-为内缩）。结合收缩系数和成品尺寸，按照比例计算出模具成型部分的径向尺寸，模具之间相互配合为间隙配合。模具安装尺寸确定依据模架结构计算得出。

4.成型方式设计：压坯带有一个台阶，采用上一下二结构即可满足压制，见图三：

四、试制过程

1.配料：原材料：采用鞍钢水雾化铁粉。成型剂：采用常用的-325目工业纯硬脂酸锌和工业用20#液压机油。混料设备：采用型号为WZ-250/WZ-20的型混料机。原材料技术要求中已给出，无法调整，但成型剂的添加量对毛坯的成型还是有着非常大的影响。因此，在不改变原材料的情况下，试配三种配方，择优选择。配方见表1

2.压制。

2.1压制：压制参数不变的情况下，材料配方不同，毛坯尺寸不同，具体见表2

齿部由于其特殊的几何形状，对于粉末的流动性格外敏感。通过尺寸对比发现：提高机油含量，齿部尺寸提高。粉末的润滑性的提高，模具与粉末之间的摩擦力减小，从长远看提高了模具使用寿命，降低了成本。但同时也降低了粉末的流动性，而粉末的流动性会直接影响齿部的成型尺寸，配方二是最佳选择。

2.2脱模。常用的脱模方式有两种：一是普通脱模，即上冲回程后下拉阴模，另一种是保护脱模方式，即泄压后首先下拉阴模，然后上冲回程。对于齿圈而言，其外圆侧面积非常大，脱模力也随之增大，经实践，上述两种脱模方式均不能成功脱模，后多次试验及分析后，研究出了一种新的脱模方式：上冲回程后，先脱芯棒，再脱阴模从而将压坯成功脱出。这种脱模方式是待压坯所受侧压力压力释放后，阴模壁所受的摩擦力释放后，再下拉阴模，成功的实现脱模，且减小了摩擦力对阴模的损伤。

2.3烧结工艺。采用460连续式网带烧结炉，烧结温度：1110℃ ，烧结气氛：氨分解及氮气保护气氛。

3.整形。毛坯为薄壁圆环，烧结变形量非常大，造成毛坯不圆度较大，不仅径向尺寸无法满足精度要求，同时还会影响后期机加工定位，因此，需在加工前对内孔及外圆进行整形处理，矫正变形量。表3为实际整形前后径向尺寸变化情况。

4.机加工,平磨-粗车内孔-精车内孔。

4.1夹具：因齿圈为纯铁材料，切削加工性能较钢材差。夹紧力过小易导致工件在加工时滑脱，夹紧力过大易造成工件变形。在装卡时，需更换夹具，采用接触面积大的三爪。

4.2车削参数：在车削过程中，需调整主轴转速及车削进刀量以保证在车削过程中既不出现粘刀现象又能保证光洁度要求。经反复试验后发现，在主轴转速300r/min，进刀量小于0.5mm的情况下，车削加工情况良好，能够在满足尺寸、光洁度要求的同时避免了粘刀现象的发生。

5.表面处理：要求工件表面进行防锈处理，普通发蓝处理后工件表面生成的是四氧化三铁，而四氧化三铁具有永磁性，不能满足软磁材料的要求。经和客户协商后确定，采用达克罗工艺，满足盐雾240小时，外观良好无积液等。工序如下：抛丸-清洗-喷涂-烘干-封闭。

五、结语

1.合理的配方、合适的成型方式及脱模方式是压坯成型的先决条件，对毛坯尺寸及模具使用寿命有着直接的影响,

2.转速和切削量对齿圈的变形量和光洁度影响极大，只有当转速切削量配合得当，才能够尽可能的减小变形，提高光洁度。

3.试制样件交付并装机运行后，用户反馈效果良好，对于首次试制而言，齿圈的研制是成功的。当然试制过程中还存在一些问题，还需要我们在后期的工作中进行技术攻关来进一步完善优化。此次试制是我公司粉末冶金零件在新能源汽车上成功应用的首例，为拓宽粉末冶金零件应用领域迈出了坚实的一步。

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我是此专利(论文)的发明人(作者)