粉末冶金铁基斜齿轮制品的成形模设计.pdf

2 0 1 1年 1 1月 第 3 9卷 第 2 l 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS No v ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 21 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 1 ． 0 3 3 粉末冶金铁基斜齿轮制品的成形模设计 陈鹏 ，尹发根 宜春学院，江西宜春 3 3 6 0 0 0 摘要 根据不等高粉末冶金制品成形模具的设计原理，以具有台阶结构和薄壁特征的粉末冶金斜齿轮成形模设计为 例 ， 设计粉末冶金斜齿轮制品的成形模具。将由该模具制成的齿轮制品进行轮齿折断试验和装机耐久性试验，结果表明 所生产的斜齿轮耐磨性好、强度和精度高 ， 并满足使用要求。 ． 关键词粉末冶金 ；成形模 ；斜齿轮 中图分类号T F 1 2 4 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 J 2 1 1 1 5 3 F o r mi n g Di e De s i g n f o r P o wd e r M e t a l l u r g y I r o n b a s e d S k e w Ge a r CHEN P e n g． YI N Fa g e n Y i c h u n U n i v e r s i t y ，Y i c h u n J i a n g x i 3 3 6 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e f o r mi n g d i e d e s i g n p rin c i p l e o f s i n t e r e d p o wd e r me t a l p r o d u c t d i ffe r e n c e i n h e i g h t ，t h e f o r mi n g d i e d e s i g n o f s i n t e r e d pow d e r me t a l p r o d u c t W a s c a r r i e d o u t ，b y p r a c t i c a l e x a mp l e o f f o rm i n g d i e d e s i g n o f p o w d e r me t a l l u r g i c al s k e w g e a r ， w h i c h h a d s t e p p e d s t r u c t u r e a n d t l l i n ． wall e d s t r u c t u r e c h a r a c t e ri s t i c s ． T o o t l l f r a c t u r e t e s t a n d i n s t a l l e d d u r a b i l i t y t e s t w e r e ma d e o n g e a r p r o d u c t s f o r me d b y t h e d i e ．T h e r e s u l t s s h o w t h e s k e w g e ar h a s g o o d w e ar r e s i s t a n c e ，h i g h s t r e n g t h a n d h i gh a c c u r a c y ，a n d i t m e e t s a p p l i c a t i o n n e e d s ． Ke y wo r d sP o w d e r me t all u r g y；F o rm i n g d i e ；S k e w g e ar 粉末冶金是一门制造金属与非金属粉末和以其为 原料，经过压制、烧结及各种后续处理工艺制取金属 材料和制品的科学技术 ，它是一项以较低的成本制造 高性能铁基粉末冶金制品的技术 J 。应用粉末冶金工 艺制造齿轮制品可以大幅度地降低生产成本 ，并保证 齿轮的形位公差与尺寸公差的一致性 。作者以具有 台阶结构的粉末冶金铁基斜齿轮的模具开发为例，详 细阐述铁基粉末冶金斜齿轮的成形模设计过程。 1 产品分析 文中所开发的斜齿轮产品零件见图 1 ，其主要齿 轮参数见表 1 。根据该齿轮的使用工况分析其主要失 效形式是轮齿折断和齿面磨损，同时该零件必须具有 较高强度与 良好的耐磨性 ，解决此问题的主要措施是 采用粉末冶金工艺制造。 表 1 斜齿轮参数 齿数z 模数 m 变位系数 压力角 。 分度圆直径 d ／ ra m 齿顶径直径 d ． ／ m m 齿根径直径 d f ／ mm 齿顶齿根圆角／ L ／ ra m 螺旋角 右旋 。 5 0 0 ． 5 6 0 1 4 ． 5 2 5 2 6 ． 3 00 ． 0 0 5 2 3 ． 4 7士0 ． 0 o 5 0 ． 1 5 4 ． 6 8 9 3 吼 体模型 ＼ ～ b 零件圈 图 1 斜齿轮零件图 收稿日期2 0 0 91 0～ 2 0 作者简介陈鹏 1 9 8 0 一 ，男，硕士研究生，从事 c A D ／ c A E ／ c A M ／ R E ／ R P r 研究。E m a i l h a n y i 8 0 0 8 1 6 3 ． c o rn。 1 1 6 机床与液压 第 3 9卷 2 不等高制品成形模具设计原理 2 ． 1 压制速度相等原则 各台阶的压制速度或压制压力之间应符合速度平 衡方程，即符合 H l／ H V n - 1／ v ， 1 式中 一 分别为任意高度 区 n一1 、n的装粉 高度，c m； 、 分别为任意高度区 n一1 、n的压 制速度，m ／ s 。 如果压制起始时间不同，即使压制速度相同，不 同高度区的粉末会侧向移动，因此，各区的压制起始 时间相同并且压制速度满足的原则 ，称为压制速度相 等 的原则 。 2 一压制速率相等原则 压制速率是指单位时间内粉末被压缩掉的体积与 原粉末体积的比。 叼 。 r ／ ⋯ 叼 2 式 中 。，叼 p 2 ⋯，田 ， ，卵 为任意一区域内粉末的 压制速率。 因此，压制速率相等的原则 ，即是指不等高制品 的各高度区都是在同一时刻开始压制，而且所用的压 制速率均相等 ] 。只要不等高制品在压制过程中，各 区都按照压制速率相等的原则进行压制 ，则各区的平 均密度必定相等。 3 成形模具结构设计 3 ． 1 成形模齿轮型腔的设计 成形模齿轮型腔设计是粉末冶金齿轮制品模具开 发的重点，将直接决定粉末冶金齿轮制品的制造精 度。成形模齿轮型腔参数设计的主要方法有 变位设 计 。变位设计认为齿轮在压制过程中的工艺参数的 变化类似齿轮加工中的变位；变模数设计 。变模数 设计原理认为在齿轮各加工过程中，基圆直径、分度 圆直径同齿根圆、齿顶圆直径一样都是按照一定的比 率变化，等同于简单套筒类零件的径向尺寸变化；变 模数与压力角设计 。根据试验中成品齿轮齿形与模 具齿形的变化情形，可知实际加工过程中的齿廓曲线 变化情况，证明齿轮模数与压力角均发生变化。根据 试验测定，变位设计的齿轮压坯齿廓曲线严重偏离预 期齿轮压坯齿廓曲线。用变位设计法设计的齿轮压坯 的实际齿形不能与预期的渐开线吻合，齿面易发生断 裂，严重影响制品质量。变模数设计的齿轮压坯齿形 与预期基本重合 ，变模数法在理论上不存在设计误 差 ，应用这种方法，阴模的精度易于控制 ，制品质量 得到提高。但由于模数与标准齿轮发生了变化 ，不再 是标准值 ，用变模数法设计的齿轮成型阴模用传统机 加工方法不可能加工出来，只能借助C A D ／ C A M技术 实现⋯ 。产品成形模型腔的齿轮参数见表 2 。 裹2 成形模型腔齿轮参数的确定 注 为齿顶高系数 ； c 为顶隙系数；C 为烧结收缩率 ； e 为压制回弹率；6 为整形回弹率；△为整形余量； 为变 位系数。 3 ． 2 成形模的结构设计 3 ． 2 ． 1 成形模结构方案确定 根据不等高粉末冶金制品的模具设计原理，结合 所开发齿轮的结构特点，在齿轮部位具有薄壁特征 ， 考虑采用 “ 上一下二 ”的组合模冲模具成形方案， 即采用一个上模冲与两个下模冲成形 ，斜齿轮采用阴 模浮动双向压制，实现粉末侧向移动送粉，保证齿轮 薄壁齿部具有较高的密度，并且其整体密度均匀。模 具的结构合理，进口的全 自动粉末冶金机械式压机可 以保证具有薄壁结构的斜齿轮制品压坯的压制成形质 量。模具装配示意图如图2 所示。 3 ． 2 ． 2 成形模模具零件设计 斜齿轮的台阶结构决定模具下模冲采用的是组合 模冲结构，成形阴模采用双层组合圆筒阴模 ，由阴模 和模套组成。成形模模冲采用凸缘式的 自动模 冲结 构，芯棒采用凸缘式的结构。上模冲内孔配合芯棒， 外齿配合阴模；下二冲以内齿为基准配合下一冲，外 齿配合阴模；下一冲外齿配合下二冲。并保证相应的 配合间隙值为0 ． 0 1 0 ． 0 3 ra i n ，配合种类参考粉末冶 金模具设计手册 。 3 ． 2 ． 3 成形模工作原理 该模具装在机械式粉末 自动成形压机上，模架结 构可使压坯每个台阶部分的装粉比相同，并同时保证 在压制过程中个台阶部分的密度保持均匀 ，且便于操 第2 1 期 陈鹏 等粉末冶金铁基斜齿轮制品的成形模设计 1 1 7 作人员调整和操作。 如图2所示，上模冲5通过上模冲压盖4和上模 冲配件 3 ，固定在上模冲垫板 2上，在上模冲压盖与 上模冲之间放置 3块摩擦片 2 4 ，在上模冲垫板与上 模冲之间放置 3块摩擦片 2 5 。 。 l 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 l 一导柱2 一上模冲垫板， 一上模冲配件4 一上模冲压盖5 - - 上模冲 6 一阴模压盖7 一阴模8 一下一冲9 一下一冲配件 I 1 O 一下一冲配件Ⅱ l 1 一下一冲配件Ⅲ 1 2 一下二冲 1 3 一下二冲配件 I I 4 一下二冲配件Ⅱ l S 下二冲配件Ⅲ l 6 一芯棒1 7 一芯棒配件1 8 一下横板l 9 一支撑块 2 0 ，2 1 、2 2 、2 3 、2 4 、2 S 摩攘片 图2 模具示意图 粉末压缩状态 下一冲8通过下一冲配件 Ⅱ1 0 、下一 冲配件 Ⅲ 1 1 ，固定在下二冲配件 I 1 3上，在下一冲 8与下一 冲配件 Ⅱ1 0之间放置 3块摩擦片 ，型号同摩擦片 2 4 ， 在下一冲与下一冲配件 I 9之间放置一块摩擦片 2 3 和两块摩擦片2 2 。 下二冲 l 2通过下二冲配件 I 1 3 、下二冲配件 Ⅱ 1 4 ，固定在下二冲配件 Ⅲ1 5上 ，在下二冲 l 2与下二 冲配件 I 1 3之间放置3块摩擦片2 l ，在下二冲 1 2与 下二冲配件Ⅲ1 5之间放置 3 块摩擦片2 O 。 装粉时，阴模 7上升至所需装粉高度，下一冲通 过压机辅助汽缸和弹簧作用上升至一定高度，并由螺 母调节限位保证其装粉高度。成形时，上模冲下降， 通过摩擦片 2 4 、2 5的作用沿阴模斜齿槽，旋转进入 阴模 7 ，压缩金属粉末，下一冲受压在摩擦片2 2 、2 3 作用下旋转下浮至模具垫块，阴模 7在所受粉末摩擦 力超过压机调整的浮动力后下浮，实现双向压制。 脱模时，上模冲 5回升 ，并将压坯上台阶从上模 冲5 脱出，下缸下行使阴模下降，通过螺钉带动下二 冲 1 2在摩擦片2 0 、2 1 作用下旋转下行脱模，此时芯 棒在汽缸活塞拉力作用下脱出压坯。 4小结 根据不等高粉末冶金制品成形模具的设计原理， 即粉末压制过程的压制速度、速率相等原则，以具有 台阶结构和薄壁特征的粉末冶金铁基斜齿轮的模具开 发为例 ，详细阐述了铁基粉末冶金斜齿轮的成形模设 计过程。文中的设计思想与开发过程为企业粉末冶金 斜齿轮模具设计开发提供参考。 参考文献 【 I 】黄培云． 粉末冶金原理 [ M] ． 北京 冶金工业 出版社， 1 9 9 7 ． 【 2 】 缪炯． 粉末冶金齿轮的应用[ J ] ． 新材料产业， 2 0 0 5 1 6 87 1 ． 【 3 】吴成义， 张丽英， 等． 粉体成形力学原理[ M] ． 北京 冶金 工业出版社。 2 0 0 3 ． 【 4 】郭显威， 李善太． 粉末冶金齿轮阴模 的变模数设计法 [ J ] ． 粉末冶金工业， 2 0 0 2 ， 1 2 2 2 83 0 ． 【 5 】李辉隆， 黄俊辉． 粉末冶金齿轮制品精度探讨[ J ] ． 粉末 冶金技术， 2 0 0 5 ， 2 3 3 1 9 01 9 4 ． 【 6 】海坤， 胡学晟． 粉末冶金齿轮成型模具的设计误差 [ J ] ． 模具制造， 2 0 0 5 ， 1 1 1 1 6 6 6 8 ． 【 7 】陶希海． 粉末冶金齿轮成型阴模设计[ J ] ． 模具工业 ， 2 0 0 7， 3 3 1 0 6 26 3 ． 【 8 】印红羽， 张华诚． 粉末冶金模具设计手册 [ M] ． 北京 机 械工业出版社， 2 0 0 2 ． 0 ， n n H 2 “ 捕