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　　　　 齿轮零件粉末锻造成型工艺分析
张安民
摘要：由于粉末锻造传统工艺技术的限制, 成型加工齿轮密度较低, 影响了齿轮的性能。温压成形、高速成形、成型加工硬化、高温成型加工、熔渗、HVC 粉末成形和齿轮表面致密化等技术在成型加工齿轮中的应用解决了密度较低、尺寸精度和力学性能达不到规定要求的问题。从目前的技术发展来看, 成型加工齿轮要达到全致密不存在技术障碍, 尺寸变化也完全可以达到可控的程度。但是成本也是考虑成型加工齿轮的一个重要因素。生产成型加工齿轮真正困难的是同时达到高密度、低成本和高精度。成型加工齿轮的性能与粉末锻造工艺密切相关, 不同工艺和技术路线生产的齿轮, 性能差异很大, 而粉末锻造技术的发展促进了成型加工齿轮性能的提高和尺寸的稳定。近年来发展起来的温压成形、高速成形、成型加工硬化、高温成型加工、熔渗和齿轮表面致密化等技术及其在齿轮制造中的应用可望同时实现高密度、低成本和高精度的齿轮生产。在成本、交货日期和噪音等方面机加工齿轮难以满足要求; 而粉末冶金零件的基本市场是汽车产业，作为传动系统重要零件的齿轮, 一般都是通过机械加工法制成的。但是随着汽车工业的发展, 对齿轮等零件的要求越来越高, 。?适合大批量生产, 能满足汽车工业对零部件的要求。因此年3月的统计,国内粉末锻造行业的汽车市场仅占19%。对于汽车和其他工业而言, 粉末锻造是生产高强度和形状复杂齿轮的有效工艺。目前, 通过使用高性能的粉末成形、成型加工和特殊的后加工, 粉末锻造工艺已经可以生产出密度超过7.5g/cm3 的齿轮。这些技术的使用, 已经成功地替代了机加工或其他方法加工的零件。粉末锻造工艺的成功, 使机械工程师设计高性能和较低成本的零件成为可能。目前在汽车上使用的齿轮零件有同步器齿毂、离合器齿毂等, 随着汽车工业的发展, 必将对粉末锻造工业提出更高的要求。
关键词：粉末；锻造；齿轮； 成型工艺

前言
据统计，2007年全球汽车产量为7307.2万辆，比前一年增加了5.1%，排在前5位的依次是日本、美国、中国、德国、韩国，印度位列第10。日本连续两年占据首位，达1159.6万辆，占全球产量的15.87%。销量亚军为美国，达1075.1万辆，同比减少4.5%；第三位是中国，产量达888.2万辆，同比增加22%，占全球总量的12.16%。目前中国与印度人口合计约23亿，而注册车辆为3920辆，平均每百人仅为1.7辆。据预测，今后40年，发达国家的注册车辆将增加约1倍，可能超过10亿辆，而发展中国家，特别是东南亚国家，轿车的注册与生产的发展速度可能非常快。根据美国能源部的资料，2050年发展中国家轿车的注册数量可能会增加到25亿辆。粉末冶金产业包括金属粉末、金属粉末制品及粉末冶金生产设备制造企业。齿轮零件粉末锻造目前的形势从20世纪80年代，中国（大陆）改革放以来，经济发展日新月异，家电、汽车等产业的快速发展，不仅带动了中国（大陆）粉末冶金零件产业的发展，而且，使粉末冶金零件产业成为世界粉末冶金界关注的焦点之一。进入21世纪以来，亚洲地区粉末冶金汽车零件（包括摩托车零件）生产的发展趋势。可看出，亚洲地区粉末冶金汽车零件（包括摩托车零件）的生产普遍呈上升态势，增长最的是新加坡。汽车零件在粉末冶金零件总产量中所占比率（2006）最高者是日本，高达91%，其次是韩国（86%），中国（大陆）（53%）。汽车零件（包括摩托车零件）在粉末冶金零件总产量中所占比率，在一定程度上，反映了该地区粉末冶金零件的生产技术水平。粉末锻造成型技术能够将此行业的生产能力提升很高一个层次。齿轮粉末锻造成型工艺，粉末锻造工艺粉末锻造通常是指将粉末烧结的预成形坯经加热后，在闭式模中锻造成零件的成形工艺方法。它是将传统粉末冶金和精密锻造结合起来的一种新工艺，并兼两者的优点。可以制取密度接近材料理论密度的粉末锻件，克服了普通粉末冶金零件密度低的缺点。使粉末锻件的某些物理和力学性能达到甚至超过普通锻件的水平，同时，又保持了普通粉末冶金少屑、无屑工艺的优点。通过合理设计预成形坯和实行少、无飞边锻造，具有成形精确，材料利用率高，锻造能量消耗少等特点。粉末锻造的目的是把粉末预成形坯锻造成致密的零件。

1. 粉末分析及锻造原理
目前，常用的粉末锻造方法有粉末冷锻、锻造烧结、烧结锻造、和粉末锻造几种，粉末锻造在许多领域中得到了应用。特别是在汽车制造业中的应用更为突出。原理：利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸的锻件的加工方法。锻造和冲压同属塑性加工性质，统称锻压。锻造是机械制造中常用的成形方法。通过锻造能消除金属的铸态疏松，焊合孔洞，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。锻造按成形方法则可分为自由锻、模锻、冷镦、径向锻造、挤压、成形轧制、辊锻、辗扩等。坯料在压力下产生的变形基本不受外部限制的称自由锻，也称开式锻造。其他锻造方法的坯料变形都受到模具的限制，称为闭模式锻造。成形轧制、辊锻、辗扩等的成形工具与坯料之间有相对的旋转运动，对坯料进行逐点、渐近的加压和成形，故又称为旋转锻造。　
　　锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钛等及其合金。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。金属粉末：经压制和烧结成的粉末冶金预制坯在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件。锻件粉末接近于一般模锻件7.8 克／立方厘米的密度，具有良好的机械性能，并且精度高，可减少后续的切削加工。粉末锻件内部组织均匀没有偏析，可用于制造小型齿轮等工件。但粉末的价格远高于一般棒材的价格，在生产中的应用受到一定限制。2. 粉末锻造新技术在成型加工齿轮中的应用
整体锻造过程：装粉——填充粉——粉末封压——粉末压制——压胚脱落——压胚导走——装粉
齿轮作为重要的传动零件, 在汽车上起着关键的作用。齿轮的密度、硬度等与材料的性能及制备工艺息息相关。 先进的压形技术提高了粉末压坯的密度, 改进了粉末锻造制品的性能; 同时, 零件的尺寸精度可以获得提高, 形状也可以更加复杂。下面首先讨论粉末锻造新工艺及其对齿轮的影响。
2.1 粉末锻造齿轮的高速压制
瑞典开发了高速压制的工艺。这种工艺的开发使高密度和超过5 kg的大型粉末锻造零件的开发成为可能, 它使粉末能在20 ms以内被压缩, 而且在300 ms内多次压制还可以进一步提高密度。高速压制作为大批量的生产方法可以突破目前粉末锻造的局限性。传统压制成形要求高的成形压力, 而成形压力又受到压机吨位的限制, 高速压制则不受此限制。基于预合金化和扩散合金化的粉末密度可以达到7.4～7.7 g/cm3, 这种新型的制造技术最近引入到了粉末锻造行业。高速压制的致密化主要通过由液压控制的冲锤产生的强烈冲击波来实现, 冲锤的质量和压制时的速度决定了冲击功的大小和致密化程度。由于采用液压控制,
安全性能较高。通过合适的工艺控制,可以避免非轴向的反弹引起压坯的微观缺陷。对于高速压制, 进行多次压制是可能的, 而传统压机在第一次压制后的重复压制密度不会显著增加。因为4 kJ的冲击功与2次2 kJ的冲击功, 其压制密度是相同的。因此, 可以采用中等压机经多次压制达到高密度。多次冲击压制也可以快速完成,因为每次冲击的间隔时间小于300 ms。这种压机可以用计算机精确控制冲锤的行程和冲击功, 由其压制的零件生产工艺与传统的成形工艺大体一致。 传统粉末压坯的密度呈中间低、两端高的分布, 这样易造成成型加工后中部收缩过大而影响零件的尺寸精度。而高速压制的零件, 密度分布则较为均匀。成型加工后中部与端部尺寸相差将会较小, 这样将改善零件尺寸的一致性。高速成形如果再与其他工艺相结合, 则材料的性能将会大幅提高。含碳0.4%的ASTALOY CrM 预合金化粉末经高速压制后的压坯密度达7.5 g/cm3 , 经1250℃高温成型加工后抗拉强度达到1220 MPa , 经1120 ℃成型加工硬化处理后抗拉强度为1380 MPa。由此可见高速压制的零件, 其性能达到了一个较高的水平。高速压制作为介于传统粉末成形和粉末锻造之间的工艺, 其优势是明显的。由于具有良好的性价比, 应用范围比较广泛。具体而言, 其优势有: 较高的且分布均匀的密度, 高生产率, 可以生产几公斤的大零件, 较小的弹性后效和较高的精度, 可以生产长径比较大的零件(长径比可达6. 0) 。高速压制技术目前尚在不断开发之中, 在开发的初期仅仅能成形没有台阶的直桶类简单零件,
而现在已经开发出了能成形一个台阶的较复杂零件。但是对于其他形状更复杂的零件目前尚不能生产, 这也是高速压制技术受到局限的重要原因。
2.2 齿轮成型加工硬化
成型加工硬化是将粉末锻造的成型加工与提高材料性能的淬火热处理工序合二为一, 以降低成本。成型加工硬化工艺可以省去成型加工后热处理工序, 同时可以获得高强度和高硬度的性能, 从而降低生产成本。此外, 淬火时会产生高的残余内应力并且使零件发生变形, 给控制零件尺寸公差带来困难。成型加工硬化工艺, 由于成型加工后的冷却速度远低于淬火的冷却速度, 因而可以使变形减少到最小。因此成型加工硬化工艺适用于难以处理的大型以及形状复杂的零件。
成型加工硬化钢一般用来制造中高密度零件。一般情况下, 成型加工硬化铁粉的主要合金元素有钼、锰、铬、铜和镍等。含有这些合金元素的材料具有足够高的淬透性, 在成型加工冷却期间能够淬硬。成型加工硬化后合金金相组织多为马氏体, 此外还有少量的细珠光体、贝氏体和残余奥氏体; 根据成型加工温度和时间的不同, 可能还有少量的富镍区。根据成型加工的实际条件和零件的具体要求, 适当调配化学成分, 在冷却后可以得到要求的硬度和性能。据文献报道, 目前已经有大量的成型加工硬化齿轮开始应用于汽车等传动机构上。与传统的工艺相比, 它降低了生产成本, 但是没有降低任何使用性能。这些齿轮的尺寸精度高, 噪音低, 强度高,耐磨性和耐腐蚀好。宁波东睦(NB TM) 公司的齿轮, 通过成型加工硬化, 密度大于7.0 g/cm3 , 经过回火处理后硬度大于HRC40 。与传统方法相比成本降低10 %, 且减小了淬火变形的危险。
2.3 高温成型加工
高温成型加工是提高强度的一项重要措施。通过高温成型加工, 可以使一部分氧化物还原、提高原子的扩散速率和增加成分均匀性, 可以使孔隙充分球化和孔隙间距更大, 适合于新型粉末锻造材料例如高速钢、不锈钢和高温合金等。这样, 可提高零件的密度、机械性能、轴向/ 旋转弯曲疲劳强度、耐蚀性和物理性能。但是, 也存在一些弊端, 例如设备损耗加大、能耗增加、炉子维护成本增加、生产率降低、零件变形加大、零件的同轴度降低、低冷却速率以及其他工艺问题。因此, 粉末锻造零件高温成型加工, 将会增加一些额外的成本。
对于铁基材料而言, 高温成型加工适用于以下几种情况: 材料需要高温成型加工, 如新型含硅的铁基材料、高性能不锈钢; 高温成型加工是最有效或唯一能达到要求的方法; 高温成型加工能减少工序或其他设备,如将二次压制改为一次压制; 预合金或预混粉成型加工, 此时由于一些氧化物被还原, 其合金化程度增加、硬化性能改善、机械性能提高。成型加工齿轮性能不稳定的一个重要原因是混合粉的偏析。通过高温成型加工, 可以显著减小或消除偏析的影响。高温成型加工对于一些材料是必需的, 另一方面, 在较低温度成型加工时, 现有的材料没有完全发挥潜能。要完全开发这些材料的潜能, 即要求它们具有高的表观硬度、超常的耐冲击性和抗拉强度, 也必须使用高温成型加工。具有这些性能的粉末锻造零件, 其竞争力将会很强; 尽管根据国外的分析, 高温成型加工将增加成本约10 %～15 %。
3．齿轮的表面致密化工艺
达到高密度是改善粉末锻造零件性能的主要方法, 然而最近的研究显示热处理和后加工也能对零件质量产生重要影响。齿轮的失效大部分为表面接触疲劳, 提高表面密度可以提高疲劳性能。经表面渗碳、表面热处理(高频或激光热处理)的齿轮, 其外部硬度(碳含量) 高, 耐磨性好, 心部硬度(碳含量) 低, 韧性好。粉末锻造零件由于孔隙的存在, 表面接触疲劳强度往往较铸轧钢加工的差, 而通过表面致密化处理后在齿部与轧辊模接触的表面几乎达到全致密。?表面致密化后, 齿轮齿部是无孔的表面, 心部是多孔体; 仅仅齿轮表面承受外加应力, 因而齿轮的生产成本相对较低; 成型加工齿轮在轧辊模的反复轧制下, 齿形和精度有所提高。通过表面致密化可以进一步提高齿轮的尺寸精度。表面致密化深度超过0.7 mm , 通过表面致密化后可以大幅度提高齿轮的表面接触疲劳强度。除此之外, 齿轮的表面粗糙度达到“镜面”的标准, 结果齿轮运行时噪音更低。这种表面无孔的齿轮经过合适的热处理之后, 其弯曲疲劳强度和接触疲劳强度完全达到渗碳钢的水平。制造上述齿轮的工序如下: 成形(高密度) ; 成型加工(控制冷却速度) ; 机加工;表面致密化; 热处理(控制热处理变形) 。表面致密化技术具有齿部无孔隙, 表面粗糙度低, 耐磨性高, 噪音低, 耐腐蚀性好, 尺寸精度高和零件的疲劳特性好等优点。这些因素无疑都是高质量齿轮所必须具备的。这也说明了密度仅为7.56 g/cm3 的成型加工齿轮经过表面致密化处理后的表面接触疲劳性能还略高于铸轧钢的原因。
3.1 直齿轮，斜齿轮粉末锻造模具机构
3.1.1 斜齿轮粉末锻造模具（如图1）

图 1
1—齿形上冲模：2—芯杆：3—斜齿轮压抷：
4—齿形阴模：5—齿形下冲模：6-模垫:7—
单向推力滚珠轴承：8—轴承座

斜齿轮压胚采用旋转压摸，压制时摸冲随着阴摸的螺旋形角一面旋转，一面下降。压制直齿时，上摸冲迫使齿内部的粉末沿阴摸内直齿朝压制方向移动：压制斜齿时，齿轮粉末沿着阴摸内斜齿槽向下移动。同时带齿的上摸冲，如同螺钉拧进螺母那样，旋转下降。因此，压制斜齿轮压胚常采用旋转压摸，在 压制和脱摸过程中，摸冲与阴摸在上下相对移动过程中，必须有相对转动才能保证 压制和脱摸的顺利进行。
斜齿轮压坯的旋转压模设计，斜齿齿轮压坯：旋转压模，压制时，模冲随着阴模的螺旋形角一面旋转、一面下降。压制斜齿齿轮压坯时，齿部的粉末不能沿压制方向直线向下移动，而将沿阴模内斜齿槽向下移动。同时，带齿的上模冲如同螺钉拧进螺母那样，旋转下降。在压制和脱模过程中，模冲和阴模在上、下相对移动的同时，必须有相对转动，因此要求模冲和阴模能够旋转，通常安装平面滚珠轴承模座。
3.1.2 直齿轮粉末锻造模具
直齿轮压坯的旋转压模设计，直齿齿轮压坯：双向压模，模冲和阴模在上、下相对移动的同时，不需要相对旋转即可。
3.1.3 其中压制力的计算
压制压力的计算：模压过程的总压制力等于净压力与外摩擦力之和，单位压制压力与压坯密度定量关系的研究，是近60年来粉末成形理论研究的主要内容。
F=F1+F2
F:压制力。
F1：净压力。
F2：克服粉末与壁的摩擦力。
脱模力的计算：压制压力去掉后，侧压力因为高度方向的弹性后效，侧压力会下降35~77%。在低速高单位压制压力条件下，塑性金属粉末易发生“模瘤”；模具表面质量差、润滑不良和模温过高，加重模瘤现象。严重时脱模压力超过压制压力，使得模具拉伤。无润滑塑性金属粉末应当避免高压压制
F脱＝μ静P侧剩S侧
P侧剩＝E∑R剩(m2-1)/2R
　　　　　　　　　　P侧剩=jξ0ρP
其中：
∑R剩：卸压后阴模半径上剩余的变形量； j：剩余侧压强与侧压强之比，决定于模具的刚度；
m：阴模外径与内径之比；
ρ：压坯的相对密度
当相对密度为：0.80~0.85时 ，m=2~4，可粗略估算：
对于铁基： P侧剩=0.18~0.20P
对于铜基： P侧剩=0.20~0.22P
总结
通过这次的课题论文设计让我在冶金和锻造方面学习到了不少知识，同时也为我们国家能在粉末按早技术方面有如此大的新旧技术的变化而感到高兴。通过设计我知道了；粉末锻造工艺生产的齿轮具有良好的力学性能、尺寸精度和表面粗糙度, 且适用于大批量生产, 因而具有良好的性价比, 这是成型加工齿轮能赢得汽车工业认可的重要原因。粉末锻造则是一项能制造形状复杂零件的技术, 可以节料、节能、省工、优质, 锻造工业与汽车工业密切相关。但是在美国, 铁基粉末锻造零件的市场有70%以上属于汽车市场; 而在国内, 远未达到这个比例。所以粉末锻造成型技术还有很大的提高阶段，及使用价值。由此我高兴的同时也感受到了差距，一方面我知道了我们国家此相技术应用还有很大的和市场，另外一个方面也认识到我们还在发展中，距离发达国家还是有一定距离。
参考文献：
[1] 黄靖远.《机械设计学》，机械工业出版社
[2] 张万昌.《热加工工业基础》，北京航天大学出版社
[3] 张万昌，郭立君等.《自由锻件设计》，西北工业大学出版社
[4] 丁德全等.《金属工艺学》，高等教育出版社
[5] 李长河.《先进制造工艺》，科学出版社

本科生毕业设计（论文）

题 目
26 齿轮零件粉末锻造成型工艺分析

学 院
机械交通学院

专 业
机械设计与制造
班级
082班

姓 名
张 安 民
学号
083731228

指导教师
刘 晓 勇
职称
教授

2011 年 10月20日
新疆农业大学教务处制注：毕业设计（论文）封面由学校统一制作，相关内容必须用钢笔或碳素笔填写，封面在教学综合科购买，不能自行打