981链轮的粉末冶金加工工艺分析.docx

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981链轮的粉末冶金加工工艺分析

981链轮的粉末冶金加工工艺分析

声明

本人所呈交的981链轮的粉末冶金加工工艺分析，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。

除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。

摘要

20世纪40年代以来，粉末冶金技术已经能够生产出含油轴承，达到了零切削的水平。

粉末冶金与机加工的结合，使粉末冶金的应用更加广泛。

本文主要介绍了981链轮的粉末冶金加工工艺。

选取公司自主研发的FA289i铁粉进行981链轮粉末冶金加工。

981链轮的具体生产工艺为：

首先通过压制机将粉末初步压制成所需形状；然后采用连续烧结方式对压制坯块进行烧结；随后对烧结产品进行整型，提升产品外观和尺寸性能；紧接着进行车加工和滚齿处理，提升产品的尺寸精度、表面粗糙度和齿部强度；接着进行高频淬火和低温回火处理，提高工件硬度和耐磨性；最后，浸油，包装入库。

关键词：

981链轮；粉末冶金；加工工艺

引言

“大众EA888发动机”是大众汽车设计的一款新型发动机，主要用于大众集团中的高端车型，包括1.8L和2.0L排量两种。

该发动机集成了涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时等先进技术，低速大扭矩、经济性和可靠性高，应用十分广泛。

公司981产品即是该发动机所用的链轮，带有齿链齿的车轮，用以与机体啮合。

本文主要介绍981链轮的粉末冶金加工工艺。

粉末冶金属于粉末烧结技术，是指采用金属粉末或者金属与非金属粉末混合物作为原料，通过成型、烧结等流程，制造复合材料、金属材料等各种产品。

粉末冶金基本工艺流程有：

制粉==>压制==>烧结==>整型==>其他处理（如切削加工、双面磨加工、滚齿加工等机械加工，热处理，表面处理）==>产品检验和包装，如图0-1所示。

粉末冶金技术在现代材料和相关制造业的发展中起着十分重要的作用，在汽车行业，粉末冶金可以用于加工发动机、传送设备、变速箱、车身及底盘等零部件。

图0-1粉末冶金工艺流程

一、981链轮粉末冶金加工的粉末选取

在汽车零部件的粉末冶金加工过程中，粉末原料的选择会影响产品的尺寸稳定性、外观和内部结构。

粉体的选择需要考虑产品的性能要求、设备的可行性和生产成本等因素。

粉末冶金中使用的铁粉种类繁多，如雾化铁粉、海绵铁粉、扩散接合铁粉等。

我们公司使用最多的铁粉是海绵铁粉和雾化铁粉。

海绵铁粉提取于铁矿石中，成本较高；雾化铁粉回收于废弃铁制品，成本较低。

相较于海绵铁粉，雾化铁粉具有良好的压缩性能，其压制后的密度可以达到7.4g/cm3，因此广泛应用于高密度结构件的生产和加工。

此外，雾化铁粉的软磁性能也较好，故可用于生产具有较高软磁性能的产品。

海绵铁粉则具有较高的生坯强度，适用于直接压制和烧结制品。

公司自主研发的FA289i铁粉，其中掺入了1.3wt%的铜粉，适用于制造高耐磨产品。

本文中981链轮的粉末冶金加工即选用了该铁粉。

二、981链轮的粉末冶金加工工艺分析

981链轮零件如图2-1所示，相较于正常粉末冶金的工艺流程，981产品的粉末冶金加工在“其他处理”这一步，除了切削加工和热处理外，还多出了一个特殊的步骤——滚齿，也就是说，981链轮具体的加工步骤为：

压制==>烧结==>整型==>机加工==>滚齿==>高频淬火==>浸油处理==>终检包装，具体分析如下文。

图2-1981链轮图纸

（一）981链轮的压制工艺

压制成型是将粉末压制成具有一定形状、尺寸、孔隙率和强度的坯体的过程。

981链轮的压制是将上一步所选取的粉末放入981链轮模具的中模中，通过上模和下模的压力使得产品成型，卸压后，将压坯从阴模内顶出。

在压制的过程中，压力的大小、粉末的粘结性和粉末的多少，即压强、粉末密度，对产品的性能影响很大。

图2-2为加工981链轮所采用的压制机，其顶部和底部是压模的上冲头和模腔；左边是机械手，该机械手的松紧度可以调节；右侧为“上T”，也被称为料靴，铁粉通过橡胶管进入料靴，然后填充进模腔，料靴的两个金属管是真空吸尘器。

该压制机的工作原理如下：

机械手取出毛坯后，料靴向左移动，同时打开真空吸尘器将残余粉末从空腔中抽出，移动至最左位置时真空吸尘器关闭，料靴将铁粉填充至模腔；填充后，模腔向右移动，上模向下移动，下模向上移动，保持一定压力，几秒钟后，上下模复位，压制好的毛坯被顶出，机械手将毛坯送入转盘；转盘连续转动，钢坯进入转盘后，传送至电子秤称重。

对于重量不合格的毛坯，通过废料箱时转盘夹钳自动松开，重量合格的毛坯则被送至输送带，由机械手夹取放置于相应的托盘。

图2-2981链轮压制机

（二）981链轮的烧结工艺

烧结是一种高温处理方式，它可以改变粉末冶金产品的硬度和内部结构，是粉末冶金工艺中重要的工序之一。

在烧结过程中，坯料的粉末颗粒发生了物理化学反应，原子连接方式由原来的机械连接转变为金属连接，大大提高了坯料的强度、密度和硬度。

本文中981链轮的烧结设备如图2-3所示。

从经济效益和产品质量出发，981链轮采用连续烧结方式进行烧结，烧结温度为550-850℃，烧结时通入天然气（CH4）、氮气（N2）、氢气（H2）和丙烷（C3H8）等保护性气体，防止工件在烧结过程中烧裂、变形。

图2-3981链轮烧结设备

（三）981链轮的整型工艺

整型是第二次压制，通常在烧结后直接进行，根据压制压力不同，它也被叫做再压制或者再致密化。

粉末冶金烧结后的坯料，其边缘一般会出现毛刺，尺寸也会稍有变化，整型工艺即是用来解决这两个问题。

整型工序的目的有：

（1）获得外部和内部尺寸更小的公差；

（2）形状校正；（3）获得改进的、更光滑的表面（低粗糙度）。

981链轮整型过程为高度自动化，整型设备如图2-4所示，该工艺所涉及到的重要部件有影像盘、浸渍盘、整型台、中模以及后工位。

具体流程如下：

（1）用托盘将毛坯放置在输送带上，由机械手夹持工件，影像盘通过图像识别机械手中毛坯上某个特定的点，将毛坯旋转到正确的预设方位，然后将毛坯转入浸渍盘工位。

（2）在整型之前，将坯料浸入整型油中预处理，以使其在整型过程中不易破损，然后毛坯转入整型台。

（3）在整型台上，坯料表面边缘的毛刺和倒角被去除，使工件更加光滑，随后毛坯转入中模。

（4）中模的工作原理与冲压工艺相似，它对烧结坯体施加压力，使其塑性变形到所需的标准尺寸，但这种变形非常小，通常肉眼看不出区别。

此外，在后凹模上设置了传感器，以检测整型坯料是否被机械手夹紧并移动到整型位置，从而防止整型位置出现两个工件在整型过程中叠加在一起而压坏模具的现象。

图2-4981链轮整型设备

（四）981链轮的机加工工艺

机加工用于实现某些无法通过压制或整型来达到的需求，例如981产品的尺寸精度要求（公差较小或配合小）和表面粗糙度要求。

981链轮的机加工分为两步：

（1）粗加工，用一把粗刀粗加工至一丝左右的余量；

（2）精加工。

粗刀的寿命一般在生产100片产品，而精刀由于切削量小，寿命一般在150片。

981链轮车加工所需的是两台大型双轴数控机床，它有着完整的机械化程序，包括夹料、下料和刷毛刺，如图2-5所示。

（1）Wia机床

（2）上料区

（3）收料区

（4）机械手

图2-5981链轮机加工工艺

（五）981链轮的滚齿工艺

由于产品存在孔隙，粉末冶金制品是可压缩的。

为了进一步提高981链轮的齿部强度，需要利用滚齿机进行滚齿操作，如图2-6所示。

滚齿的原理如下：

滚齿属于展成法，可视为无啮合间隙的齿条传动。

滚齿一次，相当于齿条沿法向移动一个刀齿。

滚刀的连续传动类似于无限长的齿条。

当滚刀与滚刀毛坯的传动比与齿轮齿条的传动比严格一致时，滚刀齿在一系列位置的包络形成工件的渐开线轮廓。

通过滚刀的垂直进给，可以得到所需的渐开线齿形。

滚齿后得到981链轮如图2-7所示，滚齿后还需要检测齿距是否合格。

图2-6滚齿机

图2-7滚齿后的981链轮

（六）981链轮的高频淬火工艺

981链轮在滚齿过后的工序便是高频淬火。

高频淬火主要用于工业金属零件的表面淬火，它是一种在工件表面产生一定感应电流而快速加热零件表面、然后快速淬火的金属热处理方法。

感应加热原理：

将工件放入感应器中，感应器一般为中频或高频交流电（1000-300000Hz及以上）的空心铜管。

交变磁场在工件中产生相同频率的感应电流，这种感应电流在工件中的分布是不均匀的，它在表面很强，但在内部很弱，中心接近于0。

利用这种集肤效应，工件表面可以迅速加热，几秒钟后，表面温度上升到800-1000℃，而中心温度上升很小。

高频淬火原理：

高频交流电接入铜管绕制的电感后，在工件表面形成同一频率的感应电流，零件表面得以快速加热（几秒钟内800-1000℃，此时中心仍接近室温），数秒后，立即喷水（浸没）冷却（或浸油冷却）完成浸没工作，使工件表面达到相应的硬度要求。

981链轮的高频淬火工艺具体如下：

首先将工件放在托盘的立柱上，然后利用机械夹持器将工件送至输送带，再由ABB机械手将工件放入工位进行高温淬火。

淬火过程中可见红光和白烟，这是高温淬火工件与淬火液接触后产生的雾。

然后，ABB机械手将淬火后的工件取出并送至清洗炉以清洗残余的淬火介质，清洗后将工件送回热处理炉内进行低温回火。

回火完毕后，将工件取出，采用通止规检查981链轮内径。

（七）981链轮的浸油处理

981链轮工件经过高温淬火和低温回火后，需用防锈油浸泡，以提高工件的防腐蚀性能，使工件不易氧化生锈。

三、981链轮的机加工过程分析

981链轮的机加工操作流程如下：

首先是备料，即将待加工的工件拉入上料区的固定位置，将未加工的产品放入上料柱上；机械手会自动取料加工，当当前柱子上没料时，感应器会感应到，便会转向下一根上料柱；机械手取料过后，桁架便会将产品放入夹具中，如果夹具未夹好便会出现气密性报警，这样可以避免事故的发生。

981链轮机加工分为粗加工和精加工两个部分，粗加工主要是车出大概轮廓留一丝左右的余量，精加工则需要车出精确尺寸，并保证产品的外观。

粗加工和精加工刀具均为三角刀具，由于981的切削量大，进给速度快，普通的两刃刀具很难在保证质量的情况下还能保证数量。

粗刀刀具刀刃部分弧度较小，精刀刀具刀刃部分弧度较大，这主要是因为粗刀的切削量要比精刀大，并且粗刀对产品尺寸要求并不高，精刀则需要精确的尺寸，而且精刀需要在产品直径和齿部边缘车出倒角，弧度较小则无法完成。

加工时，粗精刀车每一个凹槽都是车两刀的，一是因为刀的厚度只有3mm，无法直接车出完整的凹槽，二是因为这样方便对齿厚的尺寸进行调节。

加工过程中一定要使用切削液，981的切削量过大，若没有切削液，车出来的铁屑容易粘在刀尖上，影响产品的尺寸和外观，而且湿切产品的尺寸更加稳定。

当产品在机床中加工完成后，桁架会将其取出放入固定区域，随后机械手将其夹取放入毛刺机中刷毛刺，刷完就会将产品放入传送带，流进收料盘中。

在加工过程中需要测量尺寸，采用抽检的方法，一般来说是两个小时抽检一次，左右两轴的产品各取两片，具体检测内容见图3-1。

测量时首先目测产品外观是否合格，是否加工完成，是否有磕碰伤以及是否有毛刺等，如有不良需要及时检查原因。

如果有磕碰伤，首先检查来料是否就有该问题，如果跟来料无关，则检查机床夹具是否有铁屑残留等。

若发现产品有毛刺，则检查毛刷机的毛刷是否该更换。

目测检查完成后，将产品拿到测量台进行测量。

首先是测量直径，用游标卡尺便可完成测量，基本尺寸为35mm，上下偏差为0.1mm，一般来说直径的公差比较大，不会出什么问题。

随后测量齿高和齿距，此处需要辅助量具，如图3-2所示。

除了抽检流程外，在刚换完刀的时候也需要测量。

当尺寸出现偏差时，便需要调试机床的刀补。

图3-1981链轮机加工抽检

图3-2981链轮机加工抽检量具

值得注意的是，粗加工981链轮时所采用的刀具是TR0.3的车刀（江苏中茂机电有限公司生产），加工时采用双轴加工，而两者方向刚好是相反的切割方向，所以刀具自然而然也是不同的，如图3-3所示。

两把刀看上去没有什么区别，但是仔细看的话它们刀尖的方向是不一样的，正因为难辨别，所以在更换刀具的时候才要更加注意，千万不能装反，一旦装反的话便会撞刀，不仅会发生崩刀，甚至还会损坏刀杆。

（1）左轴刀具

（2）右轴刀具

图3-3981链轮粗加工左右轴刀具

981链轮在车加工过程中可能存在如下问题：

（1）尺寸误差。

机床在生产过程中由于刀具的磨损，致使产品尺寸也会改变，所以在生产中需要每隔一段时间测一下尺寸，来保证产品的尺寸范围。

一般尺寸改变最大的便是在换刀的时候，在换刀时由于刀具的装夹误差，尺寸也会发生很大的变化，所以在换刀的时候要确保测量无误后才能继续生产。

（2）漏加工：

漏加工在生产过程中是个很严重的问题，而漏加工一般发生在气密性报警的时候，有时因为员工的大意，会使得未加工的产品流下去，导致后续工序无法完成。

（3）撞刀：

撞刀是很严重的事故，需要员工多加注意。

撞刀一般有两种情况：

一是在换刀时刀具没有装夹好，或者左右刀具装反，导致刀背车产品；二是在机床发生报警时，未复位程序便开启机床，导致程序未在初始时开始启动，从而发生撞刀。

总结

转眼间，我在米巴已经实习工作了8个月。

经过8个月的不断实践和学习，我对粉末冶金的工艺流程有了深刻的认识和了解，学会了981链轮的粉末冶金加工。

一般来说，粉末冶金工艺包括：

压制、烧结、成型、高频（高温淬火、低温回火）、机加工、表面磨削、清洗、蒸汽、喷砂和浸油，每一步都很重要。

我在米巴的pu5部门，主要负责的是车加工、滚齿和双面磨，在这个部门一般做的都是产品成型的最后一道工序，一旦出现问题前面所有工序都将前功尽弃，因此，在车加工时一定要特别认真，不能有丝毫马虎，每天上班的第一步便是要用校验块校验一下量具。

机床操作也要格外仔细，虽然是数控自动化的机床，但反而更容易出现大问题，一个不小心便会出现大批量的不良品。

所以工作时要认真细致，仔细检测产品的尺寸，观察产品是否出现不良。

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