摘要：根据产品的结构及使用工况情况，合理运用
粉末冶金成形和烧结原理，实现了上二下三凸轮轴信号盘的自动成形、自动整形,正确选用材质以及工艺，使产品尺寸、性能满足了工况使用要求。
关键词：凸轮轴信号盘,粉末冶金,尺寸精度
中图分类号：U466 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2013）04-0058-06
发动机是汽车的动力源，而信号盘相当于控制发动机的开关，其相位角度的设计及精确控制，对发动机各个气缸的协调工作起着至关重要的作用，信号盘提供信号给转速传感器，转速传感器再把信号传递给ECU，ECU收到该信号就控制发动机喷油及点火。当信号盘旋转时，磁路中的气隙就会周期性地发生变化，磁路的磁阻和穿过信号线圈磁头的磁通量随之发生周期性变化。根据电磁感应原理，传感线圈中就会感应产生交变电动势，而产生的交变电动势控制着气缸点火时间及顺序，需要信号盘具有精确的相位角度,由于电磁感应式传感器输出电压的峰值随转速的大小而变化，在发动机启动时的低速状态下，感应电压很低，也需要信号盘的信号齿具有良好的磁感应性能，以提高信号输出灵敏度。
1 产品设计
1.1 产品性能设计
凸轮轴信号盘是传感器的信号转子，装配在凸轮轴上，利用其外圆的4个凸齿，在磁场里旋转过程中产生周期性交变电动势，控制发动机点火顺序，保证点火正时。主要利用其良好的磁感应性能及精确的相位角度，保证发动机各个气缸的协调工作，因其产生的信号是通过电流传递给ECU，为了削弱磁场对电流的影响，信号盘本身的磁场强度应有严格的限制。
1.2 产品结构设计
凸轮轴信号盘产品见图1。信号盘外圆有4个凸齿，2个68°大凸齿，2个18°小凸齿，2个72°大缺齿，2个22°小缺齿。信号盘每转过一个凸齿，传感器中就会产生一个周期性交变电动势，并相应地输出一个交变电压信号，故凸轮轴旋转一周会有4个交变信号产生，ECU每接收4个信号，即可知道凸轮轴旋转了一圈。
2 工艺方案设计
产品内孔精度等级较高，达到了8级精度，销孔精度达到7级,产品外圆信号齿角度的精确性关系到装机后信号的准确性，另外根据产品的使用工况，要求产品具有较低的剩磁强度，较高的齿部密度。产品主要技术要求如表1所示。
根据上述分析，结合供应商实际生产情况，确定此零件的生产应该包含以下主要工序：
（1）成形：保证产品的外形以及密度要求，如相位角度，內孔尺寸,
（2）烧结：保证产品基本性能的要求，如强度、硬度、密度等,
（3）整形：对烧结变形的产品进行外形的校正，同时提高内孔以及信号齿角度的精度,
（4）钻孔、铰孔：保证产品销孔达到要求。
（5）退磁：保证产品有较低的剩磁强度。
3 成形方案设计
3.1 方案设计以及压机选择
（1）考虑产品的工艺性能、形状、精度以及表面的要求，除了定位销孔处必须采用机械加工外，其余均可以不采用后续机械加工。
（2）通过产品结构分析，零件上端面1个台阶面，下端面2个台阶，整体上构成一个典型的上gGf0ak3dpou2LyZXd+dxh2/KfJPUmXOt5mHMUD5WXM=二下三结构的粉末冶金结构件，在粉末冶金压坯形状上定义为Ⅳ型压坯，Ⅳ型压坯必须由阴模，一个上模冲、三个下模冲和芯棒组成的模具成形，由于沿压制方向横截面有变化的不等高压坯，要保证其密度的均匀性，必须按相同的压缩比来计算装粉高度，同时为了保证外圆凹槽根部的圆角能够光滑过渡，采用台阶阴模结构取代了1个下模冲。
方案1：成型方案采用上一下二结构，信号盘正面信号齿部（A区）、齿根（B区）、台阶（C区）为一整体模冲，造成ABC区密度分布极不均匀，从其硬度分布可以得到验证（A区平均硬度32HRB， B区平均硬度52HRB，C区平均硬度70 HRB）。因为ABC区为一整体模冲，在成型时，A区松装填充不够，造成成型后密度低，而A区恰好是信号作用区域，磁感应强度和产品的密度值直接相关，密度越高，磁感应强度越高，若密度低，对其磁感应强度及传递信号准确度还是不容忽视的。矫顽力和磁导率都对孔隙杂质敏感，孔隙和杂质含量越少，矫顽力场就越小，磁导率就越高，若密度越低，孔隙就越多，对其矫顽力和磁导率影响就越大。故对于粉末冶金信号盘，其信号作用区齿部密度不宜过低。
方案2：成型方案采用上一下二+台阶阴模结构（上一下三结构），信号盘正面信号齿部（A区）、齿根（B区）为一模冲，台阶（C区）为台阶阴模。因为ABC区是分冲结构，在成型时，AB区和C区的松装填充可调，使得成型后ABC各区密度均匀，从其硬度分布及波动可以得到验证（A区平均硬度61 HRB， B区平均硬度66 HRB，C区平均硬度64 HRB）。A区的密度相对提高（方案2产品硬度61 HRB大于方案1产品硬度32 HRB），而A区恰好是信号作用区域，故方案2信号盘磁感应强度比方案1产品要好。同时方案2产品整体密度均匀，在装配过程中不会产生破裂，提高了产品各项性能要求。
（3）通过产品结构计算此产品所需压制压力，需130 T的成形压力。
（4）考虑到压坯各部分的密度分布的均匀性，压坯的精度、模冲的个数，以及成型过程中粉末的移动以及供应商成型压机的特点、模架结构，为充分体现粉末冶金的特点，此次选择带用上三下三模架的机械式S-200T压机。
3.2 模具参数设计
新开发凸轮轴信号盘模具设计主要参数如表2所示。
3.3 成型动作解析
成形动作：装粉→上冲下行→阴模强制拉下→下浮动冲落在挡块上→台阶阴模落在挡块上→成形终了→上缸给保护压力→阴模止挡打开脱阴模→下浮动冲挡块打开脱浮动冲→脱芯棒→上缸回程→机械手夹持脱出产品。
（1）装粉：因为该零件壁厚较薄，粉末之间会产生拱桥效应，为了使装粉均匀，必须采用装粉效果较好的吸入法装粉。
（3）压制成形：上冲下行与阴模合缝后，强制拉下阴模，下浮动冲落在挡块上，上冲与阴模继续下行直至阴模落在挡块上，调整阴模和外浮动冲的压制速率，避免因非同时成形而产生裂纹。
（4）脱模：采用阴模拉下式脱模，即阴模向下运动，逐渐脱出下外冲、下内冲、芯棒。脱模时要注意采用保护脱模，即脱模过程中上模冲给予产品一定的压力，待下外冲脱出阴模的同时撤去上外冲的保护压力，上内冲继续保持压力，直至下内冲脱出阴模，最后中心缸将芯棒抽回。保护脱模可以避免产品出现掉块、裂纹等外观缺陷。
成形装配示意图如图3所示。
4 材质工艺设计
原材料选择依据：根据凸轮轴信号盘的工作原理、粉末冶金件凸轮轴信号盘的综合性能及尺寸要求，原材料应该具备以下四个方面的性能：
（1）磁性能好。对于磁性材料，碳的存在降低一定的磁性能，故碳含量应尽量低。同时，磁感应强度和产品的密度值有直接相关，密度越高，磁感应强度越高。矫顽力和磁导率都对烧结条件和间隙杂质敏感，烧结温度越高和杂质含量越少，矫顽力场就越小，磁导率就越高。烧结温度越高，时间越长，金相组织平均晶粒尺寸就越大，孔隙越圆滑，磁性能就越好[1]。
（2）压制性和稳定性好，磁性材料，传递信号部位密度越高，磁感应强度越高，传递信号就越准确。磁性粉末又必须同时具备稳定的粒度分布与粒度组成且化学成分均匀、无偏析、稳定的流速以及稳定的松装密度等重要特性。由于在混料中可能产生的不均匀，包括比重偏析在内的混合料不均匀性，在烧结中因烧结温度和保温时间及压坯密度不均匀等造成的扩散不充分，则会引起组织不均匀，并使零件性能产生波动。而采用Fe-Cu-C粉末原料，因Fe和Cu的比重相差不大，不容易发生偏析[2]，且Cu相对较软，能提高压制性能。
（3）尺寸稳定性，凸轮轴信号盘信号齿角度精度越高，传递信号的准确度就越高，其金相组织平均晶粒尺寸越大，孔隙越圆滑，磁性能就越好。但对于粉末冶金件，要使其组织平均晶粒尺寸越大、孔隙越圆滑就需要较高的烧结温度和较长的烧结时间。而烧结温度越高，时间越长，尺寸变化又越大[3]，尺寸精度尤其是相位角度就难以保证。同时信号盘需装配到凸轮轴上，其内孔精度及材料的强度和韧性一定要保证。综合以上各种因素，选择添加少量的C及一定比例的铜，既能稳定产品尺寸变化，提高强度、韧性，还能提高密度，降低孔隙率，后续再通过整形对零件的尺寸以及形位公差进行校正。既保证了可靠磁性能，又保证了产品强度、韧性及尺寸要求。
（4）烧结后要满足产品既定的性能要求：产品密度≥6.4 g/cm3 ，硬度≥40 HRB，抗拉强度≥300 MPa，延伸率≥1%。
根据以上提出的材料性能要求，经过性能试验对比和烧结综合参数测定，结合现有的材料标准提供的相关材质达到的性能指标，选取Fe-Cu-C材料。
综上所述，选取供应商牌号为F1407的铁粉，其性能参数如表3所示。
5 烧结工艺设计
为保证凸轮轴信号盘在烧结过程中具有理想的金相组织，稳定的尺寸，结合供应商现有设备实际特点，选用德国进口的步移梁式烧结炉，步进梁式烧结炉具有以下优点：
（1）能够实现高温烧结，提高烧结温度可以提高生产效率，实践中发现提高55℃烧结温度对致密化程度的影响效果相当于延长烧结时间几十倍或几百倍[4]。
（2）在工作过程中可提供连续的、可重复的时间-温度-气氛曲线，这在粉末冶金生产中非常重要，当炉子的舟速一定时，各个温度可控带设定的温度以及气氛组成、气氛流量已经确定时，则通过该烧结炉的所有压坯都是在一组相同的工艺参数下烧结的，结果是建立了一条稳定的加热曲线，这就保证了烧结零件的质量即零件尺寸、CkYRIPyemDJhRGlMq0I+0A==性能的均匀一致性[4]。
（3）操作简单，自动化程度高,辅料消耗和热损失小，零件受热均匀,依据所选烧结炉制订烧结炉工艺，即各区温度、烧结速度，以及气氛流量的大小，结合烧结炉的结构、负荷的大小、加热时间以及保温时间并结合粉末具体参数变化，确定了以下摆放方式，即采用架烧模式，产品4x4均匀摆放在石墨垫板上，产品间隔10～20 mm，如图4所示。
6 整形工艺设计
6.1 整形方式的选择——全整形
为了保证信号盘的端面端跳、齿相位角度、平面度以及内孔精度，必须对烧结后的毛坯进行全整形，即内外径以及高度方向均产生塑性变形。全整形塑变充分，产品出模后弹性回弹小，制品的内外径尺寸精度可达到IT6-7级[5]，满足本产品设计要求。
6.2 整形方案设计
（1）因为产品成形和烧结后，产品下部两个台阶面的高度可能会和预想的会有差异，所以下冲最好做成分冲，这样根据烧结后产品上下两个台阶的高度，可以调节好分冲之间的段差。
（2）理论上整形时应先让下外模冲和上模冲接触产品，再让下内冲接触产品，这样可以避免产品在台阶圆角处出现裂纹，实际上整形时压下量只有0.1 mm左右，在压机上不易测量，可根据产品出模后的状态做进一步的调整。
6.3 压机的选择
根据产品的形状以及整形方式，决定了整形压机必须选择带上二下二或上二下三模架的压机，同时该产品的整形压力经过计算需要100 T左右，结合供应商的实际情况，选择带有上二下三结构模架的315 T
液压机。整形装配图如图5所示。
7 后加工工艺设计
凸轮轴信号盘销孔精度达到7级，其位置与产品外圆齿开口角度的位置关系精确度关系到装机后信号的准确性，故其孔径及孔位置精度的尺寸尤为重要。
（1）在样件阶段采用的是钻孔、铰孔方式，钻孔和绞孔是分开完成的，设计了专用夹具及检具，保证产品质量。
（2）量产后考虑使用专机加工，设计一套专用夹具，保证在一次装夹的情况下完成钻孔、绞孔、检测、压装，提高效率。
8 产品的性能及尺寸测试结果
对于不热处理的粉末冶金零件，烧结后产品的性能已确定，故产品关键尺寸检测如表6所示。
产品所有关键尺寸PPK>1.67，过程能力充分。
9 结论
（1）合理的成形模具分冲设计，使得凸轮轴信号盘各区密度均匀，提高了信号输出灵敏度。
（2）合理的烧结及全整形工艺设计，有效地提高了信号盘的相位角度、内孔IT8级精度等要求，保证了对发动机各个气缸工况的精确控制。
参考文献：
[1] 黄培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工业出版社，1997.
[2] 韩凤麟.粉末冶金零件设计与应用必备[M]. 北京：化学工业出版社，2001.
[3] 刘传习，周作平.粉末冶金工艺学[M]. 北京：科学普及出版社，1985.
[4] 周作平.粉末冶金机械零件实用手册[M]. 北京：化学工业出版社，2005.
[5] 韩凤麟粉末冶金设备实用手册[M].北京：冶金工业出版社，1997.
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编辑：中冶有色技术网
来源：闫大方
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