粉末冶金一級傳動(dòng)帶輪的研制

楊傳芳，王士平

（1.華東冶金地質(zhì)勘查局超硬材料研究所，安徽 馬鞍山 243012；2.馬鞍山市華東粉末冶金廠，安徽 馬鞍山 243012）

引言

一級傳動(dòng)帶輪如圖1 所示，其由擋圈1、小帶輪2及限位擋塊3 組成，為減輕重量，在限位擋塊3 上只保留了必要的5 個(gè)加強(qiáng)筋，此結(jié)構(gòu)特征使其用機(jī)加工方法生產(chǎn)時(shí)難以加工，加工成本高且?guī)л喚入y以保證，無法形成批量穩(wěn)定生產(chǎn)。針對一級傳動(dòng)帶輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用粉末冶金工藝的優(yōu)勢，把一級傳動(dòng)帶輪先分成兩個(gè)零件，即擋圈1 作為一部分，小帶輪2 及限位擋塊3 作為一部分，先把擋圈1 用模壓成形，小帶輪2 及限位擋塊3 作為一個(gè)整體，通過對模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，再進(jìn)行模壓成形。設(shè)計(jì)擋圈1 壓坯內(nèi)孔比小帶輪2 壓坯端部圓臺(tái)外徑大0.015～0.025 mm，然后把擋圈1 壓坯與小帶輪2 壓坯端部圓臺(tái)配合后進(jìn)行組合燒結(jié)，檔圈1 選材為燒結(jié)時(shí)會(huì)收縮，小帶輪2 選材為燒結(jié)時(shí)會(huì)漲大，利用不同材料的燒結(jié)特性，使擋圈1 與小帶輪2 配合牢固。經(jīng)燒結(jié)后的組合件，再進(jìn)行表面滲碳熱處理，進(jìn)一步提高一級傳動(dòng)帶輪的表面硬度及強(qiáng)度，使其在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)耐磨損并能承受較大的扭力，孔口加工導(dǎo)向角，經(jīng)拋光清洗及適當(dāng)?shù)姆冷P處理制成成品。

圖1 一級傳動(dòng)帶輪

1 一級傳動(dòng)帶輪的研制過程

圖2 所示為一級傳動(dòng)帶輪零件圖，由圖2 可知，擋圈1 要求能承受2 kN 壓力不脫落，小帶輪2 相對于內(nèi)孔圓周跳動(dòng)要求小于0.05，內(nèi)圓孔與電機(jī)軸過盈配合，公差要求控制在0.015 mm 以內(nèi)，限位擋塊3 與帶輪2 均要求耐磨損，表面硬度（HRA）要求控制在70～75。針對其結(jié)構(gòu)特征及力學(xué)性能要求，制定其粉末冶金工藝為：配料→分形分別擠壓成形→組合燒結(jié)→熱處理→倒角→拋丸→清洗烘干噴油防銹→檢驗(yàn)→包裝入庫。

圖2 一級傳動(dòng)帶輪零件（單位：mm）

1.1 材料選擇

由圖1 及圖2 可見，一級傳動(dòng)帶輪無法通過一次模壓成最終形狀，而其擋圈1 在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，只起對帶輪的限位作用，要求承受2 kN 力不脫落即可，因此把一級傳動(dòng)帶輪進(jìn)行分型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)擋圈1 單獨(dú)成形，小帶輪2 及限位擋塊3 作為一個(gè)整體單獨(dú)成形，控制擋圈1 壓坯內(nèi)孔比小帶輪2 壓坯端部圓臺(tái)外徑大0.015～0.025 mm，然后把擋圈1 壓坯與小帶輪2壓坯端部圓臺(tái)配合后進(jìn)行組合燒結(jié)，擋圈1 選材為燒結(jié)時(shí)會(huì)收縮，小帶輪2 選材為燒結(jié)時(shí)會(huì)脹大，利用不同材料的燒結(jié)特性，使擋圈1 與小帶輪2 配合牢固。擋圈1 因其燒結(jié)時(shí)要求收縮，力學(xué)性能要求不高，選普通鐵碳材料，其材料質(zhì)量百分比見下頁表1，其燒結(jié)收縮率可達(dá)到0.998 5～0.999 5；小帶輪2 及限位擋塊3 因其燒結(jié)時(shí)要求膨脹，而小帶輪及內(nèi)圓孔精度要求較高，需盡可能減少其燒結(jié)變形量。為滿足上述要求，在鐵基材料里加入適量的磷元素，配以適當(dāng)?shù)你~、碳，一方面磷可以促進(jìn)燒結(jié)時(shí)孔隙球化，另一方面與鐵、碳、銅發(fā)生合金化，使產(chǎn)品整體尺寸漲大，同時(shí)提高產(chǎn)品的強(qiáng)度[1-2]，為減少磷元素偏析而導(dǎo)致產(chǎn)品變形大，在配料時(shí)先把磷元素與鐵元素進(jìn)行預(yù)合金化，制成鐵磷粉，然后再與其他元素粉混合均勻。其質(zhì)量百分比見表2，此配比燒結(jié)膨脹率為1.005～1.006[3]，燒結(jié)條件為1 120 ℃、35～40 min，氮?dú)浔Ｗo(hù)氣氛，氮?dú)浔葹?0∶10。

表1 材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）配比 %

表2 材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）配比 %

1.2 模具設(shè)計(jì)與調(diào)試

由上頁圖2 可見，擋圈1 結(jié)構(gòu)簡單，常規(guī)模壓成形，壓坯密度控制在6.9～7.0 g/cm3；小帶輪2 與限位擋塊3 作為整體，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)其成形模具為上二下四結(jié)構(gòu)，因其5 個(gè)異形減重孔構(gòu)成的5 個(gè)加強(qiáng)筋較窄，厚度較薄，若按常規(guī)做成5 個(gè)芯棒成形，脫模時(shí)力會(huì)很大，導(dǎo)致5 個(gè)加強(qiáng)筋斷裂無法出模成形。因此，對模具結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，在下二模沖面區(qū)上做了5 個(gè)異形凸起，在5 個(gè)凸起端部，按產(chǎn)品5 個(gè)加強(qiáng)筋斜面角度分別做了5 個(gè)防形逃料，在5 個(gè)異形凸起與下二模沖相連接的根部修了R 角，在5 個(gè)加強(qiáng)筋成形高度內(nèi)沿5 個(gè)異形凸起一周分別做了單邊5°傾角,這樣可充分降低壓制成形時(shí)5 個(gè)加強(qiáng)筋所受的脫模力，使5 個(gè)加強(qiáng)筋能順利出模成形。在限位擋塊3大圓臺(tái)下端面按上一沖內(nèi)孔直徑大小部位進(jìn)行工藝分成下一模沖，以實(shí)現(xiàn)大圓臺(tái)裝料及成形移粉需求，使大圓臺(tái)的密度和其他部位均勻一致。壓制時(shí)，上二模沖伸出上一模沖5～6 mm，下二模沖適當(dāng)移粉，合理調(diào)整模腔浮動(dòng)的開始位置及浮動(dòng)量的大小，合理調(diào)整下一模沖、下二模沖、下三模沖及下四模沖的裝粉量，在160 t 壓機(jī)上成功壓制出各臺(tái)階密度均勻，整體密度6.9～7.0 g/cm3的小帶輪2 與限位擋塊3 一體的壓坯。模具結(jié)構(gòu)圖，見圖3。

圖3 模具結(jié)構(gòu)（成形脫模位置）

1.3 燒結(jié)

將擋圈1 壓坯與小帶輪2 及限位擋塊3 壓坯組合在一起，放在平整的陶瓷墊板上，擺放整齊，放在RST300 網(wǎng)帶式燒結(jié)爐內(nèi)，在1 120 ℃燒結(jié)35～40 min，同時(shí)通入氮?dú)夂蜌錃庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛，氮?dú)浔葹?0∶10，控制擋圈1 與小帶輪2 的燒結(jié)過盈量在0.02～0.03，從而使其牢固結(jié)合在一起。組合燒結(jié)圖，見圖4。

圖4 組合燒結(jié)

1.4 熱處理

在網(wǎng)帶式碳氮共滲熱處理爐內(nèi)進(jìn)行表面碳氮共滲熱處理，碳勢0.7～0.8，溫度850 ℃，時(shí)間80 min；油冷100 ℃/10 min；200 ℃回火2 h，保證一級傳動(dòng)小帶輪各部位硬度（HRA）在70～75。

1.5 倒角及后處理

在鉆床上用專用工裝，對產(chǎn)品限位擋塊端內(nèi)孔加工1×30°導(dǎo)向角，去除機(jī)加工毛刺。然后在100 kg螺旋振動(dòng)光飾機(jī)內(nèi)拋丸20 min，以去除產(chǎn)品表面油污、飛邊、毛刺等，把拋丸后的產(chǎn)品放在網(wǎng)帶式超聲波清洗機(jī)內(nèi)對產(chǎn)品進(jìn)行清洗、烘干、噴油防銹，清洗液按防銹劑與清水1∶100 配制、150～200 ℃烘干15～20 min，最后噴淋SM-3 防銹油。

2 性能測試和使用效果

2.1 性能測試結(jié)果

按以上工藝條件生產(chǎn)出的零件經(jīng)檢測，密度6.9～7.0 g/cm3，硬度（HRA）70～75，在壓力試驗(yàn)機(jī)上測試擋圈1 能承受2.5～3 kN 壓力，零件表面硬度（HRA）為70～75，在齒輪跳動(dòng)檢測儀上檢測小帶輪相對于內(nèi)圓孔徑向跳動(dòng)為0.03～0.05，其余各項(xiàng)尺寸也完全符合圖紙要求。

2.2 裝機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

客戶以前用機(jī)加工件，產(chǎn)品成本高、加工效率低，現(xiàn)用粉末冶金方法生產(chǎn)的一級傳動(dòng)帶輪，產(chǎn)品成本低，僅為機(jī)加工件的50%，生產(chǎn)效率提高了近3～4 倍，經(jīng)實(shí)際裝機(jī)測試，各項(xiàng)性能指標(biāo)完全達(dá)到客戶使用要求，現(xiàn)已批量穩(wěn)定生產(chǎn)。