改善粉末冶金法兰式制品粗糙度的方法探讨.pdf

第 3 2卷第 2期 2 01 4年 4月 粉 末冶 金技 术 Powde r M e t al l u r gy Te c hno l o g y Vo 1 ． 3 2，No ． 2 Ap r ． 2 01 4 改善粉末冶金法兰式制品粗糙度 的方法探讨 朱普业 碧梦技上海复合 材料 有限公司 ， 上海 2 0 1 4 0 1 摘要 粉末冶金法兰式制 品由于受粉末冶金传统成形 工艺的限制 ， 必然导致轴 向不 同区域之 间的密度差 ， 从而造成局部一些 区域密度低 、 孑 L 隙率大 、 粗糙度 差的现象 。探讨 了改进 整形模具和工艺 ， 从 而达到对低密度 区域进行表 面封孔处 理 ， 提高其粗 糙度性能 ， 同时论述 了通过改进成 形模 具增加径 向整形量 ， 从而提高制品低 密度 区域 的密度来 达到改善粗糙度 的 目的。 关键词 粉末冶金法兰式制 品；密度差 ；粗糙度 ；封孔 处理 Ro ug hne s s i m p r o v e me nt s o l u t i o n f o r t he PM p r o du c t s wi t h a f l a ng e Zhu Puye P MG S h a n g h a i F e n g x i a n C o ． ， L t d ， S h a n g h a i 2 0 1 4 0 1 ， C h i n a Abs t r ac t Fo r PM pr o d u c t s wi t h a fla ng e o n o n e s i d e，t h e r e i s t he d e n s i t y d i f f e r e n c e d ue t o t h e c o n v e n t i o n a l PM c o mp a c t i ng c a pa b i l i t y l i mi t a t i o n，S O i t l e a d s t o t h e b a d r o ug h ne s s i n t h e fla n g e a r e a．Th e r e a r e 2 ki n ds o f s o l ut i o ns t o i mp r o v e t h e r o u g h n e s s ， o n e i s s i z i n g p r o c e s s s u r f a c e c l o s e i n g p o r e s t r e a t m e n t i n t h e l o w d e n s i t y a r e a t o i mp r o v e t h e r o u g h n e s s ，t h e o t h e r i s i n c r e a s i n g t h e d e n s i t y i n t h e l o w d e n s i t y a r e a t O i m p r o v e t h e r o u g h n e s s b y c o mp a c t i n g t o o l s i m p r o v e me n t ． Key wor ds PM p r o d uc t s wi t h a f l a n g e；d e n s i t y d i f f e r e nc e；r o ug h n e s s；c l o s i n g p o r e s 随着粉末冶金工业 的发展 ， 从而使得利用该种 工艺能制造 出越来越多 的形状复杂的高性 能零件 ； 同时汽车工业的发展 ， 也对整车生产厂商提出 了更 高的要求 ， 产品质量的稳定性 、 单个零件 的重 量、 以 及低 的价格等等 ， 这两者 的发展必然促进越来越多 的粉末冶金零件被应用到汽车工业当中。 粉末冶金工艺有其 自身的优点 ， 比如省材料 、 省 能源、 少无切削 、 批量生产质量稳定性好 等等 ； 但也 有 自身的局限性 ， 对 于某些粉末冶金法兰式制 品来 说 ， 由于受传统压制工艺和 自身结构的限制 ， 使得在 靠近法兰一端的区域密度低 ， 孔隙率高 ， 由此导致 了 粗糙度差这一现象 。这 就需要设计 者通过合 理 的模具设计和工艺设计来克服这些局 限性 ， 从而满 足客户的要求。本文对一种粉末冶金法兰式制品粗 糙度进行 了原因分析 ， 并对改进粗糙度 的可能性进 行了研究 ， 取得了理想的效果 。 朱普业 1 9 7 6一 ， 男 ， 学士 ， 工程 师。E - ma i l z p y 4 1 8 1 6 3 ． c o m 收稿 日期 2 0 1 31 01 8 1 轴 向粗糙度 的研 究 1 ． 1研 究对 象 图 1为本文研究的一种粉末冶金法兰式制 品， 该制品的特点是在靠 近上端 面有一个法兰， 法兰以 下全部区域的粗糙度要求为 R a 1 ． 6以下 ， 但是在上 部靠近法兰处的区域 ， 其实际粗糙度高达 R a 3 ． 2左 右 ， 远远超过客户图纸要求 的规格。 1 ． 2传统 压 制理 论 回顾 图 2为传统压制 成形示意 图。其 中图 2 a 为 单向压制 上冲向下压制 时， 阴模和下 冲保持不 动， 仅仅依靠上冲把产品高度压制到位 ， 此种压制方式 会造成生坯的密度分布从 上到下依次降低 ， 底部形 成生 坯 的 中性 面 。 图 2 b 为双 向压制 上 冲向下压制时， 下冲保 持不动 ， 阴模 向下浮动 ， 从而可 以对生坯进行双向加 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 2期 朱 普业 改善 粉末 冶金法兰式制 品粗糙 度的方法探讨 1 2 3 法 兰处 粗糙 度差 的根本 原 因。 对制品进行整形时 ， 由于整形 阴模 的结构类似 成形 阴模 ， 即为带 台阶阴模 。 因此整形时靠近法兰 处 的表 面 和 阴模 摩 擦 的相 对距 离 最短 ， 而 远 离 法 兰 处的表面和阴模摩擦 的相对距离较长。摩擦距离越 长越 有 助 于对表 面 孔 隙 进行 封 孑 L 处 理 ， 所 以整 形 摩 擦距 离较 短 是粗 糙度 差 的又一 个原 因。 根据 MP I F的粉末 冶金 产 品粗 糙 度 测量 标 准 5 8号标准 ， 应该用刃形测针进行粗糙度 的测量 ， 目的是 为 了避 开低 密度 区域 的孔 隙对 粗糙 度结果 的 影响。但客户要求必须使用常规钢件测针进行粗糙 度的测量 ， 即圆锥形 状尖针 ， 这样未封 闭的孔隙 对 粗糙 度 的测量 结 果 有 很 大 的影 响 ， 这是 粗 糙 度 测 量 结果 差 的第 三个原 因。 图 3 测量粗糙 度的测针示意图 F i g ． 3 S ke t c h ma p f o r me a s ur i ng r o u g h ne s s 因下部区域 的粗糙度可以满足规格要求 ， 所 以 我们仅仅研究靠近法兰的低密度区域的粗糙度测量 结果 。图 4为低 密 度 区域 粗糙 度测 量 部 位 示 意 图 ， 表 2为 低 密度 区域 粗 糙度 的测 量 结果 产 品规 格 为 R a 1 ． 6以下 。 图 4 低密度 区域粗糙 度的测量部位示意 图 Fi g． 4 Ro ug hn e s s me a s u r e me n t l o c a t i o n i n t h e l o w de ns i t y a r e a 表 2 低密度区域粗糙度的测量结果 率 ， 从 而 降低 表 面孔 隙对粗 糙 度 的影 响 。 Ta bl e 2 Ro ug h ne s s me a s ur e me n t r e s u l t s i n t h e l o w d en s i t y a r e a 由表 2粗 糙 度 测 量 结果 可 知 测 针 类 型 对 测 量 结果的影响非常 明显 ， 要想使用常规钢件测针并得 到好的粗糙度结果 ， 则必须对低密度 区域 的未封 闭 孑 L 隙进行表面封孔 处理 ， 或 增加其密 度 ， 减 小空 隙 2探讨低 密度区域粗糙度的改善方案 由以上 论 述 可 知 造 成该 制 品轴 向粗 糙 度 差 的 原因有三种 ， 针对这三种原 因， 我们分别探讨如下 产品结构决定 了模具结构 ， 若产品设计不更改 ， 那么就不可能在靠近法兰部位的区域得到高的生坯 密度。而增加在整形过程中的径向挤压量可以提高 低密度 区域的密度 ， 降低表面孑 L 隙率 ， 从而达到改善 粗糙 度 的 目的。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉末冶金技术 2 0 1 4年 4月 通过提高制品相对阴模的摩擦距离可以对低密 度 区域进 行 表面封 孔 处 理 ， 从 而 消 除表 面 未 封 闭孑 L 隙对粗糙 度 的影 响。 测针类 型对测量结果影响很大 ， 但在客户坚持 用 常规 钢件 测针测 量 粗 糙 度 的情 况 下 ， 我 们 不 能 消 除测量工具对测量结果的影响。以下粗糙度测量结 果全部基于常规钢件测针进行测量 。 由此可见 ， 我们只能通过提高制 品相对 阴模的 摩 擦距 离或 增加 在整 形 过 程 中的径 向挤 压 量 ， 对 低 密 度 区域 的粗糙度 进行 改善 。 2 ． 1 提 高 制品相对 阴模 的摩 擦距 离改 善粗糙 度 由于产品有法兰， 从而阻碍了制 品在整形过程 中 的轴 向运 行距 离 ， 所 以不可 能 通 过 一 次整 形 压 制 来提高摩擦距离 ， 为此我们做如下三种试验进行研 究 。 试验 1 常规整形阴模 ， 对产品进行两次整形来 提高摩擦距离。 试验 2 用 直径较小 阴模 和常规整形 阴模相 比， 直径相差 0 ． 0 8 m m ， 对产 品进行两次整形来提 高摩 擦距 离 。 试验 3 第一次整形用常规整形 阴模 ， 第二 次整 形用较小直径整形阴模来提高摩擦距离。 针对这三种试验 ， 其试验结果如表 3 。由试验 结果可知 ， 在径 向整形挤压量不增加的情况下 ， 简单 地通过两次整形来提高摩擦距离对粗糙度 的结果影 响不大 ， 但是在第二次整形提高摩擦距离的同时， 只 需要稍微增加产品在径向的挤压量却能对改善粗糙 度有 显著 的影 响 ， 这 个 过 程 有 点类 似 表 面 致 密化 工 艺 。 整形两次需要准备两套模具 ， 模具成本上升， 而 且需要投入更多的设备和人力 ， 但该方法 因径向整 形挤压量少 ， 阴模不易磨损 ， 寿命高， 可达 5 0万次 ， 同时制品在法兰以下部位所呈现的锥度非常小 。 表 3 提高摩擦距离粗糙度 改善 的试验结 果 Ta b l e 3 Ro u g h ne s s i mpr o v e me nt by i nc r e a s i n g f r i c t i o n di s t a n c e 2 ． 2显著 增加径 向整 形挤 压量 改善 粗糙 度 图 6是对成形 阴模的改善 ， 以此提高制 品整形 时在 径 向 的挤 压量 。台 阶 1 8 m m 以下 保 持 原 有 同 下冲配合尺寸 ， 1 8 m m 以上在齿顶和齿底处 的脱模 斜度 为 0 ． 4 8 3 。 ， 这 样在 台阶处 齿 顶 和 齿底 处 的尺 寸 比下部配合处的尺寸大 0 ． 3 m m。 d f O3 ＼ ＼ ．．．．．．．．． ．． ．．． ．．．．。．．．．．． 。。。。。。。。。。。。。。。。。一’。。_。。。。’。_。●----- ’____ _●●●一 1 0 铀 3 。 _ _ ， f ， ／ d f ． 图 6成形 阴模改善示意 图 Fi g ． 6 S k e t c h ma p f o r i mp r o v e me n t o f f o r mi n g d i e 用图 6所示的阴模进行成形 ， 其成形毛坯外径 从下往上逐渐变大， 即台阶以下部位呈现出喇叭 口 形状 ， 这样可 以逐渐增加其径向整形量 。仍 用常规 整形阴模对产品仅整形一次 ， 其试验结果如表 4 。 表 4 显著增加径 向整形挤压量改善粗糙度试验结 果 Ta b l e 4 Ro ug h n e s s i mp r o v e me n t b y i n c r e a s i n g s i z i n g e x t e nt i n r a d i a l di r e c t i o n 由此可见 ， 在常规整形条件下 ， 仅仅依靠显著增 加产品径向整形 的挤压量就可 以使低密度区域的粗 糙度有显著的改善 ， 表面孔隙封闭后 ， 两种测针的粗 糙度测量结果非常接近 ， 说 明其孔隙已封闭， 不会再 对粗糙度测量造成影响。但是 同时该方法不可避免 会加剧整形阴模 的磨损 ， 使制品呈现喇叭 口形状 ， 即 法兰以下部位的上下锥度变大， 从而降低 了整形 阴 模的使用寿命 ， 模具成本上升 ， 阴模 寿命约为 1 5万 次 。 2 ． 3 两种 粗糙 度 改善方 法的 对 E 匕 总结 通过对造成制品粗糙度低 的原 因的分析 ， 我们 进行 了相对应的改善方法的研究 ， 并找到了两种改 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 2卷第 2期 朱普业 改善粉末 冶金 法兰式制品粗糙度 的方法 探讨 1 2 5 善方法 ， 但这两种方法各有其优缺点 ， 总结其特点如 表 5 。 2 ． 4 两种 粗糙 度 改善 方法 的理 论说 明 表面致密化技术是现代粉末冶金加工技术 中具 有很大发展潜能的一种 重要方法 ， 其 最大的特点是 通过表面塑性变形使粉末烧结材料表面的相对密度 接近甚至达到理论密度， 它是一种有效提高粉末冶 金零件机械性能和力学性能， 使之能够满足较 高负 荷工作条件的加工工艺。 通过对零件表面进行挤压 ， 促使其表面材料产 生塑 性 变形 ， 从 而 达 到 表 面 致 密化 效 果 。在 挤 压 量 不 大 的情况 下 ， 难 以一次 挤压 即达 到致 密化 的效果 ， 但可以通过对零件表面进行连续 多次微量 的挤压 ， 促使材料表面发生连续多次的塑性变形 ， 多次塑性 变形 的效果进行叠加 ， 从而达到表面致密化的效果 。 在挤压量较大的情况下 ， 可 以一次挤压 即可达到表 面致密化的效果 ， 此种挤压 ， 材料一次性位移大， 在 材料表面即可产生大的塑性变形量。通过挤压， 材 料的表面体积显著变小 ， 从而提高表面的密度 ， 降低 孔 隙度 。 表 5 改善粗 糙度方法的特点对 比 Ta b l e 5 Co mpa r i s o n f o r r o ug hn e s s i mp r o v e me nt me t h o ds 3 结论 1 传统压制理论表 明， 某些法兰式粉末 冶金 制品在靠 近 法兰 区域 的粗糙 度 问题是 客 观 存 在 的 ， 且不可能增 加其 生坯 密度来 达 到 良好 的改 善 效 果 。 2 在第 二次整形 增加 其 同阴模 的摩擦距 离 时 ， 只需稍微增加其径 向挤压量 ， 就可以达到很好 的 表 面封孔效果 ， 从而改善其粗糙度性能 ， 表面致密化 效果非常明显 。 3 显著增 加制 品的整形径 向挤压量 ， 可以提 高低密度区域的密度 ， 从而降低该区域的孔隙率 ， 改 善其粗糙度性能。 参考文献 [ 1 ]黄培云． 粉末冶金原理． 北京 冶金工业出版社 ， 1 9 8 2 ． 1 9 7 [ 2 ]周作平 ， 申小平．粉末 冶金机械零件 实用技术． 北京 化 学工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 9 3 [ 3 ]MP I F S t a n d a r d T e s t Me t h o d f o r Me t a l P o w d e r s a n d P o w d e r Me t a l l u r g y P r o d u c t s ， S t a n d a r d No ． 5 8 S u r f a c e F i n i s h o f Po wd e r Me t a l l u r g y P MP r o d u c t s ．2 0 0 8 1 0 91 1 0 [ 4 ]K o s a k a L a b o r a t o r y C o ． L t d D i g i t a l C o n t o u r ＆R o u g h h e s s Me a s u r i n g I n s t r u me n t DS F， T o k y o J a p a n， 2 0 0 6 ． 3 [ 5 ]沈晓燕． 粉末 冶 金件 表面 塑性变 形强 化规 律的研 究 [ 硕士 论 文] ．武汉 武汉理工大学 ， 2 0 1 0 [ 6 ]于洋． 表面致密化 一种提 高烧结 齿轮性能 的有效方 法．粉 末冶金技术 ， 2 0 0 5 ， 2 3 1 6 27 4 [ 7 ]于洋 ， 宋久鹏． 高性能汽车结构件 的粉末 冶金制造工 艺．M C现 代零部件 ， 2 0 1 0 1 7 47 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m