粉末冶金法制作齿轮.doc

粉末冶金法制作齿轮
专业报告

姓名：侯立民
学院：材料科学与工程
班级：10届焊接1班
时间：2012年05月01日

内容提要

本学习报告主要介绍了齿轮，粉末冶金法，及粉末冶金加工齿轮的特点。
介绍学习齿轮的构造，粉末冶金法的原理，粉末冶金法制作齿轮的优点。
了解掌握工厂生产中的粉末冶金法的特性。
第一章 ：粉末冶金法选自(粉末冶金论坛）；
第二章 ：齿轮选自（维基百科）；
第三章 ：粉末冶金法制齿轮选自（生意社和百度词汇）；工艺流程选自（机械社）；

目录

第一章 粉末冶金法的概述······································3
1.1 定义···········································3
1.2 特点···········································3
1.3 生产过程···········································3
第二章 齿轮的概述········································4
2.1 齿轮的定义·····························4
2.2 齿轮的材料······································4
2.3 齿轮的主要参数···········································5
2.4 齿轮的展望·································6
第三章 粉末冶金法论述········································7
3.1 制作齿轮的方法···································7
3.2 粉末冶金齿轮的种类和应用···································7
3.3 粉末冶金齿轮的特点·······························7
3.4 粉末冶金法工艺流程（简易 ）··························9
3.5 粉末冶金法的发展前景 ·····································10总结········································10

第一章：粉末冶金法
1.1粉末冶金的定义：

粉末冶金
粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。粉末冶金法与生产陶瓷有相似的地方，因此，一系列粉末冶金新技术也可用于陶瓷材料的制备。由于粉末冶金技术的优点，它已成为解决新材料问题的钥匙，在新材料的发展中起着举足轻重的作用。

1.2特点：
粉末冶金具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金技术可以直接制成多孔、半致密或全致密材料和制品，如含油轴承、齿轮、凸轮、导杆、刀具等，是一种少无切削工艺。 　　（1）粉末冶金技术可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。在制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料（如Al-Li合金、耐热Al合金、超合金、粉末耐蚀不锈钢、粉末高速钢、金属间化合物高温结构材料等）具有重要的作用。 　　（2）可以制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料，这些材料具有优异的电学、磁学、光学和力学性能。 　　（3）可以容易地实现多种类型的复合，充分发挥各组元材料各自的特性，是一种低成本生产高性能金属基和陶瓷复合材料的工艺技术。 　　（4）可以生产普通熔炼法无法生产的具有特殊结构和性能的材料和制品，如新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷磨具和功能陶瓷材料等。 　　（5）可以实现近净形成形和自动化批量生产，从而，可以有效地降低生产的资源和能源消耗。 　　（6）可以充分利用矿石、尾矿、炼钢污泥、轧钢铁鳞、回收废旧金属作原料，是一种可有效进行材料再生和综合利用的新技术。 　

1.3生产过程：
　　（1）生产粉末。粉末的生产过程包括粉末的制取、粉料的混合等步骤。为改善粉末的成型性和可塑性通常加入汽油、橡胶或石蜡等增塑剂。 　　（2）压制成型。粉末在500~600MPa压力下，压成所需形状。[1] 　　（3）烧结。在保护气氛的高温炉或真空炉中进行。烧结不同于金属熔化，烧结时至少有一种元素仍处于固态。烧结过程中粉末颗粒间通过扩散、再结晶、熔焊、化合、溶解等一系列的物理化学过程，成为具有一定孔隙度的冶金产品。 　　（4）后处理。一般情况下，烧结好的制件可直接使用。但对于某些尺寸要求精度高并且有高的硬度、耐磨性的制件还要进行烧结后处理。后处理包括精压、滚压、挤压、淬火、表面淬火、浸油、及熔渗等。
第二章：齿轮
2.1 齿轮的定义：
齿轮(Gear) 是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件（如另一齿轮、齿条、蜗杆）传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，齿轮机构在工业产品中广泛应用，其设计与制造水平直接影响到工业产品的质量。齿轮轮齿相互扣住齿轮会带动另一个齿轮转动来传送动力。 将两个齿轮分开，也可以应用链条、履带、皮带来带动两边的齿轮而传送动力。
2.2 齿轮 - 材料
螺旋齿轮钟
（1） 材料和热处理对齿轮的承载能力和尺寸、重量有很大的影响。20世纪50年代前多用碳钢，60年代改用合金钢，而70年代多用表面硬化钢。齿面按硬度可区分为软齿面和硬齿面两种。
1）软齿面：齿面硬度HB≤350,在调质或正火热处理之后进行精切齿。这种齿轮承载能力较低，但制造比较容易，跑合性好，用于传动尺寸和重量无严格限制以及小量生产的一般机械中。因为配对的齿轮中小轮负担较重，为使大小齿轮工作寿命大致相等，小轮齿面硬度比大轮的高HB20～50。
2）硬齿面齿面硬度HB＞350。这种齿轮承载能力高,在齿轮精切之后进行淬火、表面淬火或渗碳淬火,一般齿面硬度HRC45～65。但在热处理中,齿轮不可避免地产生变形，因此在热处理之后须进行磨削、研磨或精切，以消除因变形产生的误差，提高齿轮的精度。如果硬齿面齿轮精度不够，其承载能力往往不如软齿面的。经渗氮处理的齿面硬度HV≥600,抗胶合能力较高。由于渗氮时温度较低，齿轮的变形很小,可不再进行机械加工,但渗氮层较薄，适于制造小尺寸的齿轮，但不能承受冲击载荷或磨料磨损。
于制造小尺寸的齿轮，但不能承受冲击载荷或磨料磨损。

2.3 齿轮 - 主要参数
齿轮及花键孔
（2） 螺旋角：β > 0为左旋，
反之为右旋 齿距：pn = ptcosβ
下标n和t分别表示法向和端面
模数：mn = mtcosβ
齿宽：b=\frac{B}{\cos \beta}
分度圆直径：d = mtz
中心距：a=\frac{m_n(z_1+z_2)}{2\cos \beta}
正确啮合条件：m1 = m2,α1 = α2,β1 = − β2
重合度：\epsilon_\gamma =\epsilon_\alpha +\frac{B\sin \beta}{\pi m_n}
当量齿数：z_v=\frac{z}{\cos ^3 \beta}
齿轮及花键孔
（3） 螺旋角：β > 0为左旋
反之为右旋 齿距：pn = ptcosβ
下标n和t分别表示法向和端面
模数：mn = mtcosβ
齿宽：b=\frac{B}{\cos \beta}
分度圆直径：d = mtz
中心距：a=\frac{m_n(z_1+z_2)}{2\cos \beta}
正确啮合条件：m1 = m2,α1 = α2,β1 = − β2
重合度：\epsilon_\gamma =\epsilon_\alpha +\frac{B\sin \beta}{\pi m_n}
当量齿数：z_v=\frac{z}{\cos ^3 \beta}
2.4 齿轮 - 展望
齿轮正向重载、高速、高精度和高效率等方向发展，并力求尺寸小、重量轻、寿命长和经济可靠。齿轮理论和制造工艺的发展方向是：
1）进一步研究轮齿损伤的机理，这是建立可靠的强度计算方法的依据，是提高齿轮承载能力，延长齿轮寿命的理论基础；
2）发展以圆弧齿廓为代表的新齿形；
3）研究新型的齿轮材料和制造齿轮的新工艺（包括成型工艺和热处理工艺）；
4）对中、小型齿轮采用冷成型加工、精密铸造和粉末冶金等工艺方法，在保证精度的前提下提高生产率和降低成本；
5）考虑齿轮的弹性变形、制造和安装误差以及温度场的分布,进行轮齿修形，以改善齿轮运转的平稳性,并在满载时增大轮齿的接触面积，从而提高齿轮的承载能力；
6）摩擦、润滑理论和润滑技术是基础性工作，研究弹性流体动压润滑理论，推广采用合成润滑油和在油中适当地加入极压添加剂（见润滑剂），这不仅可提高齿面的承载能力，而且也能提高传动效率；
7）改进齿轮传动的结构，例如采用行星传动或把单轮驱动改为多个小轮同时驱动中央大轮的挠性多点啮合传动，以提高齿轮的承载能力

第三章：粉末冶金法制齿轮
3.1制作齿轮的方法
齿轮的材料和热处理对其承载能力和尺寸、重量等有很大的影响。
1、切削加工法。其中又分范成法和展成法。范成法是用与齿槽相同或近似的刀具切去齿槽而得到齿轮的形状，如用指形或盘形刀铣齿轮、刨齿轮等，加工的精度和生产效率都较低。展成法是模拟一对齿轮的啮合运动，一方为工件，另一方为刀具切出齿形，如滚齿、插齿等，加工精度和生产效率都比较高。
2、铸造法，常用于精度要求不高的大模数齿轮的制造，精度低，效率高。
齿轮的原理与制造是机械制造的重要部分。

因来料广泛，材料利用率高，加工效率高等特点，粉末冶金法被较广泛的运用大批量制造具有复杂曲面的中小尺寸零件。
所以 我们可以选用粉末冶金法制作齿轮。下面进一步介绍这种方法。

3.2 粉末冶金齿轮种类和应用　　
粉末冶金齿轮是各种汽车发动机中普遍使用的粉末冶金零件，通过一次成形和精整工艺，不需要其他后处理工艺，可以完全达到尺寸精度要求，尤其是齿形精度。因此，与用传统机械加工方法制造相比，在材料投入和制造上都大大减少，它是体现粉末冶金特点的典型产品。粉末冶金零件配套举例配套类别零部件名称：汽车发动机;凸轮轴、曲轴正时带轮，水泵、油泵带轮，主动、从动齿轮，主动、从动链轮，凸轮，轴承盖，摇臂，衬套，止推板，气门导管，进、排气门阀座汽车变速箱;各种高低速同步器齿毂及组件，离合器齿轮，凸轮、凸轮轴，滑块，换挡杆，轴套，导块，同步环摩托车零件：从动齿轮及组件，链轮，起动棘爪，棘轮，星形轮，双联齿轮，副齿轮，变速齿轮，推杆凸轮，轴套，滑动轴承，定心套，从动盘，进、排气门阀座汽车、摩托车油泵：各种油泵齿轮、齿毂，各种油泵转子，凸轮环汽车、摩托车减振器各种活塞，底阀座，导向座压缩机各种活塞，缸体，缸盖，阀板，密封环农机产品各种轴套，转子，轴承其他：分电器齿轮，行星齿轮，内齿盘，组合内齿轮，各种不锈钢螺母，磁极。

3.3 粉末冶金齿轮特点（优势）
　　虽然粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中难以单独统计，但无论是按质量还是按零件数量.粉末冶金齿轮在汽车、摩托车中所占的比例都远远大于其他领域中的粉末冶金零件：因此.从汽车、摩托车零件在整个粉末冶金零件中所占比例的上升.可以看出.粉末冶金齿轮在整个粉末冶金金零件中处于飞速发展的地位。如果按零件特点来分.齿轮属于结构类零件.而结构类零件在整个铁基零件中所占的绝对质量也远远大于其他几类。
　　粉末冶金齿轮的品种和产量在日益增加，它们的应用范围日益广泛。这是由于：
　　1)当齿轮具有不规则曲线、偏心、径向突出部或凹窝：当齿轮具有不规则孔、键槽、扁平侧面、花键、方孔、锥孔；当齿轮在轴向具有突出部、沟槽、盲孔及不同深度的凹窝等时.粉末冶金法均易于制造，不需或只需少量机械加工。一般粉末冶金齿轮用粉末冶金法制造时，只需要五道工序.即成形一烧结一热处理一回火一浸油。用铸锻材料机械加工制造时.需经车外圆一车内圆一两端面一粗铣凹槽一拉键槽一滚齿一去毛刺一热处理一回火等十道工序。因此，采用粉末冶金法制造时.由于省工、省料、生产效率高、使用的设备少、节能.齿轮的生产成本显著减低。
　　2)用粉末冶金法制造齿轮时.材料利用率可达95%以上。这是因为：
　　a.可直接成形为成品零件的形状：
　　b.烧结前的任何压坯废品.都可重新粉碎和加以利用。这在用其它加工方法制造齿轮时是不可能的。
　　3)粉末冶金齿轮的重复性非常好。因为粉末；台金齿轮是用模具压制成形的，在正常使用条件下，一副模具约可压制几万至几十万件齿轮压坯。用机械加工法制造齿轮时.要使一件件齿轮的形状、尺寸均匀一致是十分困难的。机械加工中的各种变量.如切削刀具的磨损、加工装置刚性差、齿轮坯的硬度不同及机床的轴承间隙不同等，这些都会使制造的齿轮的形状、尺寸不一样。
　　4)粉末冶金法可将几个零件一体化制造.从而可省下以后的处理与组装费用。用粉末冶金法制造多联齿轮和复合齿轮时，可将齿压制到全高直接到毗连邻接齿轮的拐角处，这在一般机械加工，如铣、刨或滚齿都是难以做到的。
　　5)粉末冶金齿轮的材料密度是可控的。或者说，具有一定量的连通孔隙。粉末冶金齿轮通常含浸有5%-20%润滑油，以供某种程度的自润滑.从而提高耐磨性。利用粉末冶金法还能将齿轮的不同部分作成不同的密度，例如，齿毂部分作成较低的密度。以增强自润滑而齿部做成高密度.以增高韧性和冲击强度。
　　6)在粉末冶金生产中，为便于成形后从压模中脱出压坯.压模工作面的粗糙度都非常好。因此，齿轮压坯，特别是齿部的表面粗糙度很高。这种优异的表面粗糙度在齿轮运转中可将齿的磨损与噪声降低到最低限度。
　　粉末冶金齿轮的噪声比锻造材料制造者小，这已是定论。这可能是烧结材料具有的多孔性造成的衰减作用所致。用齿轮噪声试验机试验的结果表明.粉末冶金齿轮比普通钢制齿轮的噪声等级小。当然，粉末冶金法制造齿轮，也受到制造因素上的一些限制.一般说来。受到的限制主要是：
　　a.粉末冶金齿轮的最大横断面尺寸，取决于制造厂的压机能力：
　　b.由于压制与模具方面的原因，一般的涡轮、人字齿轮及螺旋角大于35°的斜齿轮都不能用粉末冶金法制造：
　　C.一般烧结铁基材料的；冲击值较低：虽烧结锻造材料的；冲击值比一般烧结材料高得多.但仍不如相应成分的致密材料。

粉末冶金方法可以成形近乎最终形状的产品。但是对于台阶较多,形状较为复杂的零件,通常需要通过多功能的压机和模架来完成产品的成形工序。如何对现有的普通压机和模架进行技术改造,使之能够压制异形多台阶零件,从而达到既提高原有设备水平,又可以节省投资和降低产品成本的目的,这是很多厂家所企盼解决的问题。同时,用户现在对产品性能和表面质量的要求也越来越高,如何选择适当的热处理工艺,使产品达到既有高的性能,又有良好的表面质量,这也是实际生产中需要解决的问题。实践证明,通过采用适当的方法,这些问题都是可以解决的

3.4粉末冶金法工艺流程（简易）

混料—成形—烧结—钻孔、攻牙—热处理—浸油—成品
混料于Ｖ型混粉机中进行;在ＹＡ79 125型液压机上压制;在推进式烧结炉中烧结,烧结温度为1100℃,时间为90ｍｉｎ,分解氨气氛保护。样品烧结后进行钻孔,攻牙,淬火和低温回火。最后在真空浸油机中浸油。
　（热处理）
该产品表面质量要求高,一般热处理方法难以保证。所以我们采用网带式连续光亮淬火炉进行光亮淬火。加热温度为860℃,网速50ｍｍ/ｍｉｎ,分解氨气氛保护。加热后自动淬入光亮油中,然后在200℃回火2ｈ。处理后表面光亮,硬度均匀,变形小。结果示于表2。从表2可看出,热处理后尺寸均略有变化,主要为胀大,这可能是淬火后相变的缘故,但可控制在允许公差范围内。同时,也可以看出,只要密度大于6.4ｇ/ｃｍ3,就能保证热处理硬度大于ＨＲＣ30。

粉末冶金法工艺流程图：

3.5粉末冶金齿轮的发展前景　　
虽然粉末冶金行业已经经过了近10年的高速发展，但与国外的同行业仍存在以下几方面的差距： 　　(1)企业多，规模小，经济效益与国外企业相差很大。 　　(2)产品交叉，企业相互压价，竞争异常激烈。 　　(3)多数企业缺乏技术支持，研发能力落后，产品档次低，难以与国外竞争。 　　(4)再投入缺乏与困扰。 　　(5)工艺装备、配套设施落后。 　　(6)产品出口少，贸易渠道不畅。随着我国加入WTO以后，以上种种不足和弱点将改善，这是因为加入WTO后，市场逐渐国际化，粉末冶金市场将得到进一步扩大的机会；而同时随着国外资金和技术的进入，粉末冶金及相关的技术水平也必将得到提高和发展。

总结:
通过对粉末冶金法制作齿轮的学习和深入了解，明白了加工方法对齿轮精度的重要性。采用粉末冶金法对齿轮加工的重要性，但由于生产成本的增加，导致性价比不是最理想化，如何推动新型改善的粉末冶金法对齿轮产业，乃至机械，材料有着至关重要的影响。

侯立民
10届焊接1班
2012年5月1月

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