汽车发动机用粉末冶金主轴承盖.pdf

第 2 7卷第 5期 2 0 0 9年 1 0月 粉 末 冶金 技术 Po wde r M e t a l l ur g y Te c hn ol og y Vo 1 ． 27．NO ． 5 0e t ． 2 0 09 汽 车发动机用 粉末冶金 主轴 承盖 Te r r y M ． Ca d l e， Ma r k A． J a r r e t t ， W i l l i a m L． Mi l l e r 摘 要 粉末冶金主轴承 盖 MB C 于 1 9 9 3年第一 次用 于 G M 的 3 1 0 0与 3 8 0 0 V 6发动 机。该零件 一年 消耗 粉末 5 0 0 0多 t ， 是北美粉末冶金零件 中应用量最大者 。选 择粉末冶金材料替 代传统的铸铁 ， 是 因为其有 利于 零件的功能 ， 而且因为粉末 冶金 工艺能 成形为 最终形状 ， 从而使 G M 可节省下 对主轴 承盖的 切削加 工生产 线 的大部分投资 。由于灰铸 铁强度不够高 ， 球墨铸铁 的价格高又难切 削加工 ， 因此 ， 为这种零件开 发了一种强度 高 、 成本低 的粉 末冶金合金 钢。这篇 论文说明 了主轴 承盖 的功能要求 ， 比较 了铸铁 与粉末 冶金 的材料和生 产 工艺 ， 说 明了粉末冶金 的设计利 益 ； 此外 ， 还讨论 了粉末 冶金 主轴 承盖要 求 的强 度 、 一致性 、 完善性 无缺 陷 及 切削性 ， 其 中包括试验与试验验证 。 关键词 粉末 冶金 ； 主轴 承盖 ； 汽 车 ； 发动机 Po wde r m e t a l l u r g y m a i n be a r i n g c a ps f o r a ut o mo t i v e e n g i ne s Te r r y M ． Ca dl e， M a r k A． Ja r r e t t ， W i l l i a m L． M i l l e r Ab s t r a c t P o w d e r me t a l l u r g y ma i n b e a r i n g c a p s MBCa r e b e i n g u s e d f o r t h e f i r s t t i me i n G e n e r a l Mo t o r s GM 31 0 0 a n d 3 8 00 V6 e ng i n e s i n 1 9 93． Th i s pr o du c t wi l l c o ns u me o v e r 5 0 00 t o n s o f p o wd e r a y e a r ma k i ng i t t h e bi g g e s t v o l u me a pp l i c a t i o n f o r P／M i n No r t h Ame r i c a ．P ／M wa s c ho s e n t o r e pl a c e t he t r a dit i o na l ma t e r i a 1 ． c a s t i r o n． b e c a u s e o f i t s f u n c t i o n a l a d v a n t a g e s a n d b e c a u s e i t s n e t s h a p e c a p a b i l i t y e l i mi n a t e d ma j o r i n v e s t me n t s i n MBC ma c h i n i n g l i n e s a t GM．A hi g h s t r e n g t h l o w c o s t P ／M a l l o y s t ee l wa s d e v e l o pe d for t h i s a p p l i c a t i o n， s i nc e g r e y c a s t i r o n was n o t s t r o ng e no ug h a nd d u c t i l e c a s t i r o n wa s b o t h e x p e ns i v e a nd d i ffi c u l t t o ma c hi ne ．Th e p a pe r e x p l a i ns t he f u nc ～ t i o n a l r e qu i r e m e n t s o f a n M BC． Th e c a s t i r o n a nd P ／M m a t e r i a l s a n d p r o c e s s es a r e c o m p a r e d a n d t he de s i g n be n e fit s o f P／M a r e d e s c r i b e d ． I n a d d i t i o n， t h e P ／ M MB C r e q u i r e me n t s o f s t r e n g t h， c o n s i s t e n c y， i n t e g r i t y fle ed o m fr o m d e f e c t s a nd ma c hi na b i l i t y a r e d i s c us s e d， i n c l u di ng t h e v a r i o u s e x p e r i me n t s a nd v e r i fic a t i o n t e s t s ． Ke y wo r d s p o w d e r me t a l l u r g y ； ma i n b e a r i n g c a p s MB C； a u t o mo t i v e； e n g i n e s 近年 来 ， 特别 是在 北美 ， 粉末 冶金 零 件在 汽车 中 的应 用在 急剧 扩 大 。采用 粉 末冶 金 的推 动力 一般 是 既可 减低 生产 成本 ， 对 产 品又 有益 处 ， 从 而可 提供 最 佳价 值选 择方 案 。材 料与 制 造工 艺 的发 展使粉 末 冶 金 可在更 广 阔 的应用 范 围 内进行 竞争 。在这 些领 域 既要 求精 度 又要求 耐 久 性 ， 以前 往 往 认 为 粉 末 冶 金 是达 不到 要 求水 平 的 。 耐热 的阀座 圈 、 固体 润滑 的气 门导 管 、 耐 冲击 的 正时链 轮 、 耐磨 的 凸轮 轴 及 耐 疲 劳 的连 杆 都 仅 只 是 转换为粉末冶金生产的几个事例 。主轴承盖 已增列 于这 个零 件 名单 之 中 ， 这 对 相 关 公 司与 整 个 粉 末 冶 金产业都是一个好 消息。为达到主轴承盖所要求 的 物理 一 力 学 性 能和 批 量 生 产 水 平 ， 努 力 地 进 行 了三 年 紧张 的研 发 才 取 得 了成 果 。粉 末 生 产 厂 家 、 粉 末 冶金 零件 生 产 厂家 和汽 车公 司 间 的密切 合作 是这 个 产品研发成功的最重要因素。 主轴 承 盖 的 功能 主轴 承盖 是 内燃 机 的一 种 重 要结构零件 。曲轴将活塞的往复运动转换为旋转动 作 ， 从而最终 驱动车轮 见 图 1 。曲轴必须牢靠地 保 持在 原位 ， 同时 又要 能 自由转 动 ； 这是 依靠 用螺 栓 固定在发动机缸体上 的主轴承盖和装 以薄的双金属 轴 瓦来 实现 的 。 因此 ， 主轴 承盖 的两 种 功能 是 对 曲 轴进行导向与固定 ， 承受发动机 中产生 的最高燃烧 力 与惰性 载 荷 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 粉 末 冶 金 技 术 2 0 0 9年 1 0月 发 图 1 一 股 活 塞 发 动 机 曲轴 的布 置 Fi g． 1 Ty pi c al p i s t o n e n g i ne c r a nk s h a ft a r r a n g e m e nt 主轴 承盖 的主要 特 征 2示 出典 型 的主轴 承 盖 。用螺 栓通 过长 的螺栓 孔将 主轴 承盖 固定 在发 动 机 缸体上 。这些 孔 还 沿着 发 动 机 的前 、 后 轴 将 主 轴 承 盖 固定 。将 主轴 承 盖压 配 合 于 气缸 体 沟槽 内 ； 为 使压 配合均 一 ， 要 求 主 轴 承 盖 的宽 度必 须 精 确 叫 做紧压 宽 度 。制造 主 轴 承 盖 时 ， 要 将 其 外 端 而 成 形为能 保证平 滑压 配 于 气缸 体 中的 装 配外 形 ； 为 保 证 与气 缸体 紧密接触 ， 主 轴承盖 的连 接面必 须平 直 。 为保证 在使用 的高 夹 紧 负载 下 压 力均 一 ， 直 接 位 于 螺 栓头 下的主 轴 承表 面 必 须平 直 、 平 行 。 为 了将 轴 瓦固定 ， 主轴承 盖 拱 顶 内有 ⋯ - 凹槽 。在 将 主轴 承 盖 安装 于发 动机缸 体 时 与之 后 ， 其 在 发 动机 内的 位置 与方 位标识 都必 须清 晰可见 。 图 2典 型 主 轴 承 盖 F i g ． 2 T y p i c a l ma i n b e a r i n g c a p MBC 传统 主轴 承盖 的制造 工艺 与材 料 主 轴承 盖 大 部分 是用砂 模 将 灰 铸 铁 制 成 “ 条 坯 ” 见 图 3 。在 将 “ 条 坯 ” 切割 成一 个个 主 轴承 盖 之前 ， 要 先 进 行切 削加 工 ， 其 中包 括 拉 削 、 钻孔 、 锪 端 面及 铣 削 。从 铸 造到制 成 主轴 承 盖 成 品 ， 材 料利 用 率 为 6 0 ％ 质 量 分 数 。灰 铸 铁 硬 度 低 ， 而 且显 微 组 织 中的 石 墨 呈 片状， 因此 ， 切削性很好 ， 切削刀具的寿命也长。 图 3灰 铸 铁 条 坯 Fi g． 3 Gr a y e a s t i r o n 。‘ l o a f ” 在 大功 率 发 动 机 中 ， 灰铸 铁 的 强 度低 ， 不 足 以 承受 很 高的燃 烧应 力 ， 而 且 可 能 会导 致 主 轴承 盖 中 产生 疲劳 裂纹 ， 从而使 发 动机失 效 。因此 ， 在这种 场 合 ， 必须采用强度较高的材料。迄今 ， 对于功率较高 的发动 机 ， 都 选 用球 墨 铸 铁 取 代灰 铸 铁 。球 墨铸 铁 比灰 铸 铁 硬 度 高 ， 而 且 切 削 性 差 ， 因此 ， 球 墨 铸 铁 “ 条 坯 ” 的切 削加工 就 比灰 铸铁 的 困难 且 昂贵 。 车辆 的音 质 一 直在 要求 改进 车辆音 质 ， 其 中 当 然也 包括 减 小 发 动 机 噪 声 这 个 重 要 因 素 。 已经 证 实 ， 用螺栓 对 主轴承 盖侧 面进行 固定 ， 可增 高 曲轴 箱 的 刚性 ， 从 而大 大改善 音质 。 采用 螺 栓将 侧 面 固定 ， 这 涉 及 到对 主轴 承 盖 的 重新设 计 ， 而且 ， 需要 对 G M 通用 汽车 公 司 的主轴 承盖 的切削 加工 生产线 中的机床 进行大 量投 资 。通 过 采用 粉末 冶金 制造 ， 则可节 省 下这项 投资 费用 ， 这 是 选择 粉末 冶金制 造 主轴承 盖 的重要 因素 。 1 粉末冶金主轴承盖 对 于制造 V 6发 动 机 的 主轴 承盖 ， 粉 末 冶 金 工 艺提供 的设 计灵 活性 与功 能特 性 ， 铸 造是 无 法 实 现 的 ， 因此 ， 选 择 了采用粉 末冶 金工 艺制造 。为 了进行 价 格竞 争 ， 必须开发 成本 低 、 强度 高的粉 末冶金 材料 且 必须具 有好 的韧 性 、 切 削性 及易 于制造 。 需要兼具高的强度与韧性 ， 这实质上就排除了 采用 标准 的价 格低 廉 的粉 末 冶金铜 钢与碳 钢 的可能 性 ； 实际上 在用 这两 种 粉 末 冶 金 材料 制 造 的零 件 进 行试 验时 ， 由于 发生 了疲 劳断裂 ， 这 两种粉 末冶金 材 料都不 适用 。发 生疲 劳断裂 处 穿过 主轴承 的拱顶 截 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷第 5期 T e r r y M． C a d l e 等 汽车发动机用 粉末 冶金主轴承盖 面 。断 裂起 始于 最 大 拉 伸 应 力 处 ， 这 呵发 生 于 拱 顶 的内或外 表 面 ； 裂 纹 向 着 最 大 压 力 角 的 方 向 扩 展 。 解决 的方法是通过液相烧结 ， 以碳钢为基体 ， 实现最 佳低 合 金化 组 成 ； 这 种 材 料 叫做 Z M 8 3 3 关 于 材 料 的物 理 一力学 性 能将 在下 面 讨论 。 2 主轴 承盖的粉末冶 金生产工艺 粉 末 冶金 工 艺 足 直 接 成形 个 主轴 承 盖 ， 其 具 有最 终形 状 ， 只有 新 增 加 的侧 面 的螺 栓 孑 L 需 要 在 烧 结后进 行 钻 削与攻 螺 纹 。粉末 冶金 工艺 成功 的 关键 在于成 形 长 的螺 栓孔 ， 为 其 切 削 加 工 既 昂 贵 又 困 难 。鉴 于 主 轴 承 盖 拱 顶 形 状 不 规 则 ， 决 定 r必 须 “ 直立 ” 压制 即垂直 的螺栓 孔 ， 这 给 粉末 的压 制 成 形 造成 J ， 很大 困 难 。其 优 点 在 f， 可压 制 出 包 括 轴 瓦的 凹槽 和气 缸体 生产 线 组装 所需 之 顶 面 的形 状 特 征 。直 和“ 扁 平 ” 压制 即水平 的螺 栓孔 相 比 ， 可 使 用压 力较 小 的成 形 压 机 ， 而 这 和 成 本 相 关 。3 8 0 0 发动机 的后 主轴 承 盖有 儿 个形 状 特 征 ， 其 在 扁 平 取 向时无 法 压 制 成 形 ， 凶此 ， “ 直 立 ” 成 形 的 困难 是 必 然 存在 的 见 图 4 。其 主 要 形 状 特 征 有 凹入 的 螺 栓 孔 凸 台 、 矩形 的 泄 油 孔 、 侧 面 的 直 沟槽 、 安 装 油 封 的 双拱顶 以及 为增 高强 度 的突起 拱 顶 。 一 ～ 图 4“ 直 立 ” 压 制 可 行 而 “ 扁 平 ” 压 制 无 法成 形 的 几 种 形 状 特 征 Fi g ． 4 Up r i g h t c o m p a c t i o n pe r mi t s p r e s s i ng i n s e v e r a l f e a t ur e ． s wh i c h wo u [ d be i m p o s s i l l e wi t h f l a t C O I l l p a e t i o n 采用 “ 双 D” 型螺 栓孔 可 改进 纵 向定 位 ， 而 且使 着 和气 缸体 相连 孑 L 的 配合在 侧 面具 有 灵 活性 。采用 “ 扁平 ” 压制 成形 时 ， 由于 这种 形 状 的孔 需 要 进 行 昂 贵 的钻 削 与拉 削作 业 ， 因此 ， 在 成本 上 不可行 。 为 避免 装配 时 ， 一边 翘 着歪 扭着 压 入 ， 希望 装 配 的形 状 特征 能使 主 轴承 盖 平顺地 安 装 到气 缸体 导槽 内 。利 用 粉末 冶金 工艺 ， 可 压 制 成 形 一种 很 复 杂 的 装 配形 状设 计 ， 这 种 形状 是 由 倒 园 与随后 的 一 一小 导 引斜角组成 。将螺栓拧紧时安装载荷较小和下拉作 用 较平 滑均 订 E 明 ， 这项 设 计 比以前 铸 铁 主轴 承 盖 的 切 削加 工 的单 一倒 角要 优越 。 3 主轴 承盖的材料 要求 对 主轴 承 盖 材 料 的 4项 主 要 要 求 是 强 度 主 要 是 疲 劳 强 度 与 韧 性 ； 均 一 性 与 耐 用 性 ； 完 善 性 无 缺 陷 ； 切 削 性 。 3 ． 1 强度 作 用在 主轴 承 盖 的主要 力是 囚装 配 时对 气缸 体 导槽 的过盈 配合 产 生 的 起 始 弯 曲应 变 ， 和 以后 通 过 曲轴 作用 的动态 燃烧 力 与惯性 力 。装 配应 变产 生 应 力和 主轴 承 盖材 料 的弹性 模量 E 成 比例 。肝 发 的 粉末 冶 金 材 料 Z M 8 3 3 ， 其 E值 比铸 铁 小 ， 从 而 在 主 轴 承盖高 应力 区产 生 的起 始拉 应 力要 小得 多 。 粉末 冶 金材料 的疲 劳耐 久极 限是 用挠 性弯 曲疲 劳试 验 ， 以试 样 和 图 5所 示 试 验 机 测 定 的。 试样 足 用模具 成 形 的粉末 冶 金试 棒 和 由实际 的灰 铸铁 与球 墨铸 铁 主轴 承盖 切削 加工 的试 样 制备 的 。疲 劳耐 久 极 限是用 阶梯 试 验 法 测 定 的 ， 随 后 用 统计 分 析得 出 _ r图 6所 示 之 值 。对 每 一 种 材 料 至 少 都 进 行 J ，2 0 次试验 ， 而粉末 冶金 试 样 是 由 4种 不 同 的 混合 粉 制 造 且分别 加工 的 。评 价 测定 的强 度 ， 发 现 粉末 冶 金 合 金 钢 的疲 劳 耐 久 极 限 位 居 灰 铸 铁 与 球 墨 铸 铁 之 间 ， 而且 比灰铸 铁 的值 高一 倍 见 图 6 。 图 5 Z e n i t h的研究开发试验室中的挠性弯 曲疲劳试验机 Fi g ． 5 Fl e x ur a l be n d i n g f a t i g ue t e s t ma c h i n e s i n t he Ze ni t h R D L a b o r a t o r y I n s e r t s h o w s a f a t i g u e t e s t s p e c i me n 在 挠性 弯 曲试验 达 到要 求 的疲 劳 强 度之 后 ， 用 Z M8 3 3材 料 实 际制 造 了 主轴 承 盖 ， 并 将 其 在 G M 公 司装 于两 种 发 动 机 上 进 行 了严 酷 的 发 动 机 耐 久 试 验 。起 始 的 “ 通 或 断 ” 试 验 是 使 L 台 发 动 机 在 可 用 的最 高应 力状 态下 运 行 几 百 小 时 ， 粉末 冶 金 零 件 都 通 过 了试 验 。第 二 个 阶 段 是 ， G M 公 司设 计 与 建 造 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 9 0 粉末冶金技术 2 0 0 9年 1 0 月 、 窿 图 6疲 劳 耐久 极 限 的 比较 Fi g ． 6 Fa t i g u e e nd u r a nc e l i mi t c o mpa r i s o n 一 种 疲劳试 验机 ， 用 于验 收发 动 机气 缸 体 和模 拟 动 力发 动机 的燃 烧应 力 见 图 7 。 图 7 G M为模拟燃烧应力专门建 造的疲劳试验机 Fi g 7 Ge n e r a l M o t o r s f a t i g u e t e s t m a c hi n e s p e c i a l l y bu i l t t o s i m u l a t e c o m b u s t i o n s t r e s s e s 首先 ， 将 应变规 装在 实 际运行 的发动 机 中 的主 轴 承盖上 ； 然后 ， 在 主轴 承 盖 疲 劳试 验 机 运行 时 ， 将 试验 机调节 到接 近模拟 动力 发动机 的应力 规 范与水 平 。主轴承盖 试验 机 比运 行 的发动 机能施 加更 高 的 应 力 ， 从 而能够 进行 超负 载试验 ， 用来 确定 设计 的安 全 极 限。试验是 如 此严 酷 ， 一般 铸 铁气 缸体 在 粉 末 冶金主轴承盖开裂之前就破裂了， 而且为得到一个 疲劳试 验点 要损坏 几个 气缸体 。 为 此 ， G M 的工 程 师 们 决定 建 造 一 台高 强 度 钢 气缸体 ， 以便在成本可行的运行条件下扩大应力试 验 ， 从 而获得 粉末 冶金 材料 的 sN疲 劳 曲线 见 图 8 ， 并确 定功 能 的安全 极 限 。通 过在 比预测 的模 拟 发动机最严酷的运行工况高 1 ． 8倍 的条件下， 成功 地重 复进 行疲 劳试 验 ， 证 明 了粉 末 冶 金 主轴 承 盖 的 耐久 性 。 35 J 3 H 望2 5 ‘ 蓑z m 董 。 1 0 5 { } 0 发动机T作范围 jj u l E l E J 6 】 E07 至失效的周数 图 8 SN疲 劳 曲 线 Fi g ． 8 S - N f a t i g ue C HI V e 鉴 于压配 合装 配时 ， 在很脆 的材料 中可能 诱发 裂纹 ， 因 此 ， 材 料 的 韧 性 有 利 于 功 能 性 。 开 发 的 Z M8 3 3粉末 冶 金材 料 ， 其拉 伸 的伸 长率 为 3 ％ ～ 4 ％， 灰铸铁为 0 ． 5 ％ ， 球墨铸铁为 3 ％ ， 而许多粉末 冶金 结构 材料甚 至 比 0 ． 5 ％还 小 见 图 6 。 3 ． 2均一性 与耐 用性 灰 铸铁 是 一 种 通 用 材 料 ， 其 铸 造 性 优 异 ， 切 削 性 、 抗 压 强 度 及 声 阻尼 性 能好 。但 是 ， 其 疲 劳 强 度 低 ， 而且脆 ， 从 而 限制 了其 用 于高应力 用途 。 球墨铸铁的强度与韧性都 比灰铸铁 高得多， 但 价格 较高 ， 难 以切削加 工 ， 而且要 长期 生产质 量均一 的铸件 需要 严格 进行控 制 。这两 种铸铁 都容 易产生 传 统 的铸造 缺陷 ， 诸 如 非金 属 夹 杂 、 焦 砂 、 砂 眼及 石 墨的大 小与形 状 的变 化 。 比较 起 来 ， 粉 末 冶金 材 料 的均 一性 较容 易控制 。粉末 冶金 材料 的化学 组成是 由粉末 生产 厂商 通过 自动称 量组 元粉末 和严 格控 制 粉 末混 合作业 确定 的。用具 有适 当孔径 的不 锈钢筛 网将 预 混合粉 进 行 过筛 ， 除去 夹 杂 物 ； 随 后 ， 一直 到 压制成形之前 ， 预混合粉都是密封 于氮气 中贮存。 显微 组织 的均 一性是 由计 算机 控制 的烧结 炉系统 的 烧结时间、 温度及保护气氛来保证的。 为保证 粉末 冶金 材料 的质 量水平 还进 行 了三 项 补充试 验 1 材料的试验 D ． O ． E ． 方 案设计 第一个试 验是 由粉末混合粉制作拉伸试验 的试样 ， 故意使混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷第 5期 T e r r y M． C a d l e 等 汽车发动机 片 j 粉末冶金主轴承盖 3 9 l 合粉的成分发生变化 ， 使成分 的变动超 出 Z M8 3 3材 料 规范 容许 的最 小值 与 最大 值 。还 要对 密 度进 行 变 动 ， 故 意 使其 超 出 生 产 工 艺 规定 的 控 制 范 围 。抗 拉 试验 结果 表 明 ， 变 化 集 中在 Z e n i t h公 司 与 G M 公 司 疲劳试验机上进行静态强度试验与疲劳试验的主轴 承盖 上 。静 态强 度试 验是 想模 拟 在严 酷 的发 动 机试 验 中发 现 的疲 劳 裂 纹 的 应力 工 况 。对 3 8 0 0发 动 机 主轴 承 盖 的试 验 示 于 图 9 ， 通称 之 为 “ C ” 试验 。一旦 确定 是化 学组 成 与 密度组 合 的 “ 最 坏情 况 ” ， 则 要 制 作这 些水 平 的主 轴承 盖进 行 “ c ” 试 验 。 当对 密 度 和 三种 组成 成分 在 高与 低 的水 平下 进 行试 验 时 ， D ． O． E ． 要 包括 起 始 的全 部 因 子 设 计 。要 将 评 价 密 度 超 出规 定 范 围的补 充 试 验 增 加 于排 列 中。 结果 是 ， 强 度对 密 度变化 的敏感 度 比预 期 的要低 ； 在 这方 面 ， 粉 末冶 金材 料较 不 敏感 。关 于 烧结 的时 间与温 度 的其 他试 验表 明 ， 在正 常 的烧结 作 业 范 围 内 ， 尺寸 与性 能 是高 度稳 定 的 。试 验 表 明 ， 在 密 度 与 化 学 组 成 组 合 可能 最坏 的情 况 下 ， 静 态 强 度 减 小 了 1 8 ％ 。 而 后 ， 将 这些 主 轴承 盖 于 超 出最 大发 动 机应 力 水 平 之 下 ， 在主轴 承 盖试 验 机上进 行 了疲 劳试 验 。试 验结 果 是 肯定的 见图 1 0 。当在 比标 准的最高工作 条件高 1 ． 8倍 的工况下试验时 ， 即使是在最坏 的情况下 ， 成 功的运 行 都清 楚 表 明了安 全极 限。 图 9静 态 强 度 试 验 C试 验 F i g ． 9 S t a t i c s t r e n g t h t e s t f‘‘ C” t e s t 2 缺 陷 的最 大或 临 界尺 寸 筛 分 粉末 混 合 粉 用 的筛 网很重 要 ， 其 网孔 必 须 小 到 足 以防 止 大 的 无 关 颗粒夹杂通过 ， 但又要尽量大 ， 以免延长筛分粉末的 实 际时 间周 期 。 为 了确 定 既 不 损 害 组 织 性 能 、 对 于 筛分大量粉末仍然实 际可行 的筛分 时间， 还 必须确 定 筛 网孔 径 的 临界 尺 寸 。Z e n i t h公 司 与 Q MP公 司 共 同进 行 了规 划 。为 了进 行 比较试 验 ， 第 一 阶段 ， 故 意将无关颗粒添加在挠性弯曲疲劳试验试样的表面 匿 窖 耧 图 1 0根据 G M试验 的 D． O ． E ． 疲劳试验结果 Fi g． 1 0 D． O ． E． f a t i g ue r e s u l t s f r o m GM t e s t i n g 层 见 图 1 1 ； 使 用 了 6种 粒 度 的无 关 颗 粒 ， 同 时在 Z e n i t h公 司 的试验 机上 进 行 了疲 劳 试 验 图 5 。 详 细试 验 结果 发表 在 另 外 一 篇 技 术论 文 中 ， 其 汇总 图 见 图 1 2 。一旦 确定 了缺 陷 的临 界尺 寸 ， 就 用 掺有 大 于 与小 于 已知最 高应 力 区临 界尺 寸 的夹 杂物者 压制 了 主轴承 盖 。然 后 ， 将 主轴 承 盖进 行 静 态 “ c ” 试 验 与疲 劳 试 验 ， 以 确 认 挠 性 弯 曲试 验 的 结 果 。 同 时 ， Q MP公 司确 定 了实 际使 用 的筛 网孔 径 与筛 分 时 间 。 最后 结果 是 ， 静态 强 度 与 疲 劳 性 能 试 验结 果 都 良好 的最 佳筛 网 孔径 为 3 5 5 汕 m。 图 l 1 试验 轴承盖试样 中的无关颗粒 Fi g． 1 1 Fo r e i g n p a r t i c l e s i n t e s t b e a r i n g c a p s p e c i me n s 3 零 件 运送 中 的刻痕 损 伤 鉴 于 生产 的 主轴 承 盖在 切削 加工 、 包 装 、 拆 包 装 、 在线 装 配 及 发 动 机 气 缸 体搬 运 的过 程 中都 要 进 行 运 送 ， 而且 鉴 于刻 痕 产 生 的应 力 可 能是个 关 键 ， 因此 ， 认 为 应 对 “ 刻 痕 与 小 凹陷 ” 造成 的 损 害进 行 评 估 。这 涉 及 到 在主 轴 承 盖 的关 键部 位 最 大 应 力 产 生 的 可 控 凹痕 。这 是 用 一 系列凿子完成的， 为此将凿子 的切 削刀磨成 3种 不同的锐利度 ， 以代表刻痕装置 的可能范 围。其从 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 9 2 粉末冶金技术 2 0 0 9年 1 O月 、 晕 窿 } 2 3 ， ● ＼ ＼ l H l 5 0 ％灰铸铁 1 ＼ ～ 』 灰铸铁 ． { n 4 一美I 标准筛尺寸 l I 5 l 1 l S 2【 】 25 { { 5 4 4 5 5 { 5 5 6 5 7 夹 杂直径 ／ 1 0 0 1 图 1 2 无关 颗 粒 大 小 与 疲 劳 耐 久 极 限 的 关 系 F i g．1 2 F o r e i g n p a r t i c l e s i z e V S ． f a t i g u e r e s u ] t s 1 0 3 三 鬟 68 蓬 椒 { 3 锐利 实际上 不可 能 变 为 圆角 ， 代 表搬 运 装 置结 构 与零 件棱边 在零件 上 冲击 的 凹痕 。将 凿子 固定在 一 管子 中 ， 使切 削 刀以 4 5 。 角排 成 一行 ， 并 在关 键 部 位 进行刻痕 见图 1 3 。为制作凹痕， 使重量和主轴承 盖 相 同的一重 物从 4 5 ． 7 c I l l 高 度 处落 下 。为 了评 价 Z M 8 3 3粉末 冶金材 料对 凹痕 的敏 感 度 ， 将 挠性 弯 曲 疲 劳试验 试样 进 行 了 刻 痕 ， 然 后 ， 进 行 了疲 劳 试 验 。在确定 最坏情 况 下 的 凹痕 时 ， 要 在 主 轴 承盖 的 最大应 力部 位重复 进行 试验 。为评定 凹痕 的影 响进 行 了静态 “ c ” 强度试 验 ； 为确认 研 究结 果 ， 试样 最后 要 在 G M 公 司进 行 疲劳 试 验 。结 果 ， 即 使 是 刻痕 最 严 重 的主 轴 承 盖 都顺 利 地 通 过 了发 动 机 的疲 劳 试 验 。这项工 作 的详细说 明发 表在另 外一篇 论文 中。 图 1 3 主轴承盖刻痕试验的落重装置 Fi g ．1 3 Dr o p we i g ht d e v i c e f o r i n de n t a t i o n t e s t i n g o f M BC 3 ． 3 切 削性 粉 末 冶金 主 轴 承盖 是一 种 最 终形 产 品 ， 仅 只 在 钻削侧 面 的螺栓孔 和攻 丝时涉 及到切 削性 ， 因此 ， 可 将切削性质量分 为两个 方面 可切性与工具 寿命。 可切性是 用标 准钻 头在钻 床上钻 一深 度 固定 的孔所 需时间来评价的 见图 1 4 。为了对比， 在实际生产 的灰 铸铁 与球 墨铸铁 主轴 承盖和标 准 1 1 L 1 7工业钢 上进行 钻孔 。结 果 表 明 ， 粉 末 冶 金合 金 位 居灰 铸 铁 最好 和球 墨铸铁 最坏 之 间 见 图 1 5 。 图 l 4 切削性试验 用钻床 Fi g ． 1 4 Dr i l l p r e s s u s e d f o r ma c h i n a b i l i t y t e s t 5 1 6 0 7c l 80 O 0 f l H 】 ll { 】 2 1 ． { I l 4 【 l 切削性 钻削试验 标准 1 I L I 的百分数 ％ 图 1 5 切削性试验结 果比较 Fi g ．1 5 M a c h i n a b i l i t y r e s u l t s c o mpa r i s o ns 钻 头 的寿命 是用 比较 来 自 G M 公 司主 轴 承 盖 生产 线 的新 的与 已磨 损钻 头 的可切性 来评 价 的。对 于钻 削 深 度 为 1 ． 2 7 c m 的标 准 孔 ， 已磨 损 的 钻 头 的 平均 钻削 时间 比新钻 头 长 3 5 ％ 。然 后 ， 测 定 了在 增 长钻削时间 3 5 ％之前 ， “ 新” 钻头在粉末冶金材料上 能钻多少 孔 。为进 行这 项试 验 ， 制 造 了 4 2 0 ． 3 2 c m 训 l三 Q， s 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 7卷第 5期 T e r r y M． C a d l e 等 汽车发 动机 用粉末冶金主轴承盖 3 9 3 2 ． 5 4 c m的 Z M8 3 3合 金 盘 ， 在 C N C钻床 上将 之 进 行 了钻 削试验 。结 果 表 明 ， 粉 末 冶 金 材 料 仍 然 位 居 灰 铸铁与球墨铸铁之间， 较接近灰铸铁的水平。 关 于丝锥 的寿命 试验 ， 是 将 C N C钻 床 上 的钻 头 代 之 以丝锥 ， 当标 准丝 锥 表 明丝锥 寿命 完 结 时 ， 测 定 了攻 丝 的 孔 数 。 试 验 表 明 ， 丝 锥 寿 命 可 达 到 攻 丝 3 0 0 0 个 以上 的孔 。 主轴承盖在发动机气缸体生产线上的切削加工 包括 铣 削 、 镗 孔 、 直线 镗 削及微 量 校准 。为 适应 从铸 铁改 为粉 末 冶金材 料 ， 发 现切 削速 度 、 进 刀量及 刀 片 牌 号都 需要 进 行一 些 改 变 与调 整 。 最好 是 先 在 G M 公 司技 术 中心 进行单 机 切 削试 验 ， 然后 ， 再 在发 动机 气 缸体 生产 线 上进行 生 产性 试 验确 认 。 4 结束 语 已证 明汽 车发 动机 主轴 承 盖可 以用 粉 末冶 金工 艺成 功 地进 行生 产 。 1 粉末冶金工艺和铸铁制造相 比， 在功能上有 许 多优 点 ， 而且设 计 灵活 。 2 粉 末 冶金 工 艺 可制 成 最 终 形制 品 ， 从 而 可 节 省关 于 机床 的大 部 分 基 建 投 资 ， 这 是 选 择 粉 末 冶金 工艺 替代 传统 铸 铁 的决定 性 因素 。 3 为这项 应 用开 发 了强 度 高 、 成 本低 的 粉末 冶 金合金钢 。通过考虑化学组成 、 密度及完善性 ， 用广 泛 的 D． O ． E ． 试 验设 计 方 案评 价 了使用 性 能 的安 全范围。这些安全范围都 已为 G M公司的关于主轴 承 盖 的成 功试 验所 证实 。 4 这项 计划 之 所 以 能获 得 成 功 ， 同步 技 术 开 发 计 划 的协 同进 行是 一个 重要 因素 。 韩凤 麟译 自 T h e I n