隨著汽車變速器行業(yè)飛速發(fā)展，對作為核心零部件的齒輪的要求也日益增加。輕量化、低成本、低能耗、新材料等要求，成為其發(fā)展中新的挑戰(zhàn)。決定嘗試使用粉末冶金技術(shù)制造漸開線斜齒輪。
粉末冶金技術(shù)，齒輪件重存在降低 8%~20%的潛在機(jī)會(huì)，亦可降低諸如 MT、AMT、DCT 等變速箱內(nèi)同步機(jī)構(gòu)慣量。同時(shí)，產(chǎn)品工藝鏈將縮短，齒輪制造所需的廠房面積、設(shè)備投資、能量消耗相較傳統(tǒng)鋼制齒輪加工工藝，均有所節(jié)約。此技術(shù)可能將會(huì)對未來齒輪制造業(yè)務(wù)，帶來巨大變化。
粉末冶金齒輪技術(shù)優(yōu)勢：① 材料總體利用率可達(dá) 95%以上；②不需要或只需極少量切削加工；③ 零件尺寸穩(wěn)定，一致性好，精度高；④生產(chǎn)效率高，適合大批量生產(chǎn)，所需成本比切削加工低。
01
粉末冶金齒輪應(yīng)用分析
由于在同等條件下粉末冶金材料力學(xué)性能可能低于鋼件，所以選擇了某款成熟前驅(qū)六速手動(dòng)變速器內(nèi)的“輸入四檔齒輪”（齒數(shù) 31，模數(shù) 1.85，壓力角 15°，螺旋角 34°），改制為粉末冶金齒輪，并研究和分析其工藝及性能，同時(shí)與滲碳鋼齒輪進(jìn)行簡要的對比分析。
材料的選擇
所選鐵基粉末由于需經(jīng)壓實(shí)、燒結(jié)和表面致密化處理，所以需要滿足以下幾個(gè)方面的要求。
（1）擁有良好的流動(dòng)性及壓制性，保證壓制出的齒輪各部位都能達(dá)到設(shè)計(jì)所需密度。
（2）粉末粗坯燒結(jié)后，其尺寸前后變化應(yīng)盡量接近于零，且硬度應(yīng)在 100~170 HV10，以防零件過硬而產(chǎn)生裂紋。
（3）材料經(jīng)致密化滾壓后，齒面能夠形成理論無孔隙層。
（4）所選的材料應(yīng)具有一定的淬硬性，保證熱處理后齒面能達(dá)到設(shè)計(jì)所需硬度，而零件芯部應(yīng)具有較高韌性。
（5）所選鐵基粉末需適應(yīng)表面熱處理需求。
基于上述因素，選擇 Astaloy 85 Mo+C 預(yù)合金鐵基粉末，其材料成分如表 1。
表1 粉末冶金Astaloy 85 Mo+C材料成分 w(%)
材料性能分析
在材料性能方面，為提升粉末冶金零件的楊氏模量 E、泊松比 ν 及疲勞性能，粉末冶金齒輪在齒面及齒根表面輪廓上需要通過特別工藝得到一個(gè)表面充分緊密、隨后向著芯部方向密度逐漸減小的深約1 mm 的致密層（如圖 1 所示）。
圖 1 粉末冶金齒輪致密層
經(jīng)過分析和檢測，可將致密層大致分為五層，每層約 0.2 mm，運(yùn)用公式（1）和（2）得到可用于仿真分析計(jì)算的重要參數(shù)，如表 2：
式中，ρ 為粉末件密度；E0、ρ0、ν0 分別為鋼件楊氏模量、密度、泊松比。
表 2 不同密度區(qū)域楊氏模量及泊松比
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
粉末冶金制造采用一體成型技術(shù)，在特制的剛性封閉模具中將金屬粉末鑄造成型，所以零件結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)可以免去鋼件上的一些空刀槽，使結(jié)構(gòu)更緊湊。
同時(shí)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮避免以下問題。
（1）避免局部材料薄壁，以便于裝粉壓實(shí)，并防止出現(xiàn)裂紋。
（2）盡量避免在側(cè)壁上設(shè)計(jì)溝槽和沉孔，因?yàn)楣饣膫?cè)壁有利于壓實(shí)或減少余料。
（3）應(yīng)盡量設(shè)計(jì)相對簡單且對稱的形狀結(jié)構(gòu)，避免截面積落差變化過大以及窄槽、球面等，以利于模具制造和壓實(shí)。
（4）在各側(cè)壁上的過渡交接處應(yīng)采用圓角設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)銳邊，防止模具和壓坯時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中。
仿真疲勞強(qiáng)度計(jì)算
傳統(tǒng)粉末冶金零件由于其內(nèi)部存在孔隙，所以在同等條件下其材料特性參數(shù)應(yīng)低于鋼件，即表面彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度往往比滲碳鋼齒輪要差。通過表面致密化處理后在該零件齒部與滾軋模接觸的表面幾乎達(dá)到全致密，再經(jīng)過合理的熱處理及齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化之后，其彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度完全可以滿足相關(guān)使用壽命要求，并接近滲碳鋼件的水平。
參照 GB/T 14230 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法，獲得粉末冶金彎曲疲勞 SN 曲線，與 ISO6336 16Mn-Cr5（MQ）進(jìn)行對比，得到齒輪彎曲強(qiáng)度的對比結(jié)果，見圖 2。從結(jié)果上看，粉末冶金齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度，接近滲碳鋼的水平。
圖 2 齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度
02
粉末冶金齒輪工藝過程研究
通常，對于僅采用一次壓制、一次燒結(jié)的普通粉末冶金工藝生產(chǎn)出來的部件， 其密度基本都在 7.2 g/cm3 以下，如變速器中的換擋鼓齒輪、同步器齒轂等應(yīng)用，其表面及內(nèi)部存在大量的孔隙，使其抗疲勞性能大大降低。而變速器傳動(dòng)齒輪，需要在高轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下承受較高的載荷，容易產(chǎn)生斷齒、齒面點(diǎn)蝕等失效?；谝陨显?，粉末冶金變速器齒輪需要正確選擇材料，并在經(jīng)過壓制、燒結(jié)工藝后，再進(jìn)行表面致密化處理，最后進(jìn)行熱處理及后續(xù)的機(jī)加工處理，以得到優(yōu)良的力學(xué)性能。
新的輸入四檔齒輪，在將粉末冶金工藝與傳統(tǒng)齒輪加工工藝結(jié)合后，工藝過程如圖 3，從這種工藝路線可以看出，工藝路線大大縮短，減少了加工的復(fù)雜性，可以大大節(jié)約廠房和設(shè)備的投入。
圖 3 粉末冶金齒輪加工工藝
“表面致密化處理”
此工序通過專門的齒輪滾壓機(jī)來完成，如圖 4 所示。兩個(gè)依據(jù)齒輪產(chǎn)品漸開線幾何形狀而專門設(shè)計(jì)的主動(dòng)滾壓齒輪將“預(yù)加工齒輪”擠壓在中間。滾壓齒輪在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)又將壓力施于“預(yù)齒輪”的齒面及齒根表面，產(chǎn)生表面滾壓致密的效果。
圖 4 齒輪表面致密化處理
“熱處理”
對表面致密化后的齒輪需進(jìn)行滲碳處理，以提高其力學(xué)性能，工藝參數(shù)如圖 5。
圖 5 熱處理工藝
經(jīng)過熱處理，零件表面硬度可達(dá)到 560~ 660 HV10，心部硬度將達(dá)到 250~320 HV10。綜合性能基本滿足使用要求。
“熱后硬車”
首先需去除銳邊毛刺。由于粉末冶金技術(shù)是一種粉末模壓技術(shù)，模具間存在配合間隙，所以當(dāng)粉末受壓成型時(shí)，成型件在模具配合間隙處將產(chǎn)生填充效應(yīng)，從而產(chǎn)生少量毛刺。可考慮采用滾磨、噴砂等恰當(dāng)?shù)臋C(jī)加工方式去除這些毛刺。
“珩齒”
粉末冶金齒輪經(jīng)過表面致密化處理時(shí)，由于材料的彈性與應(yīng)力釋放，輾軋后會(huì)產(chǎn)生彎曲變形，致使齒面產(chǎn)生齒廓對中誤差。熱處理時(shí)的高溫變形，使得相應(yīng)誤差進(jìn)一步加大。采用珩齒工藝來消除這些誤差，這樣加工出來的粉末冶金齒輪齒面精度，與類似的鋼齒輪在同一水平。
03
品質(zhì)對比分析
選取輸入四檔齒輪鋼齒輪和粉末冶金齒輪各一件（實(shí)物如圖 6、圖 7 所示），對品質(zhì)進(jìn)行比較。
圖 6 鋼齒輪
圖 7 粉末冶金齒輪
質(zhì)量
鋼件 0.110 kg，粉末冶金件 0.082 kg，粉末冶金齒輪質(zhì)量減輕 25%；
齒根粗糙度
由于消除了傳統(tǒng)切削加工的刀痕，粉末冶金齒輪碾壓后的齒根粗糙度非常好，優(yōu)于滾齒加工的鋼齒輪，如圖 8。
圖 8 齒根粗糙度報(bào)告
鋼件齒輪：Ra=0.445 Rz=2.429
Rmax=3.216
粉末冶金齒輪：Ra=0.349 Rz=2.433
Rmax=2.761
輪齒成品精度
鋼齒輪與粉末冶金齒輪均采用熱處理后珩齒工藝，經(jīng)檢測，兩者成品齒面精度相當(dāng)，均可達(dá)到 DIN 3961 8 級水平。
花鍵精度
粉末冶金齒輪的齒形及精度，優(yōu)于鋼齒輪。如圖 9。
圖 9 花鍵齒形
密度
相較于鋼件緊實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，粉末冶金零件內(nèi)部存在孔隙，每批次粉末冶金齒輪的齒部密度都必須抽檢，并重點(diǎn)關(guān)注。
基于阿基米德方法，可以找到一種分析計(jì)算粉末冶金件密度的方式，其步驟及原理概述如下。
（1）首先準(zhǔn)備好切割設(shè)備、工裝夾具、研磨拋光設(shè)備、光學(xué)顯微鏡和專業(yè)攝像頭。
（2）從齒部切制一個(gè)質(zhì)量大于5克的標(biāo)準(zhǔn)試塊，并在分度圓、與齒根圓角相切 30°的直線的法向方向，這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)進(jìn)行密度梯度的檢測，如圖 10 所示。
圖 10 齒部檢測區(qū)域示意圖
（3）使用光學(xué)顯微鏡對相關(guān)區(qū)域放大 200 倍，再使用專業(yè)攝像頭進(jìn)行等距拍攝，由表（image 1）至里（image 5）分別拍攝五張照片，所得照片如圖 11 所示；（注：照片數(shù)量及大小可視零件情況而定）。
圖 11 局部放大圖 ×200
（4）圖 11 內(nèi)黑點(diǎn)為氣孔，通過特定軟件分析出單位尺寸照片內(nèi)氣孔所占面積百分比，從而根據(jù)公式(3)計(jì)算出真實(shí)的密度值。
ρ=7.83/100%×(100%-氣孔占比) （3）
其中，7.83 g/cm3 為此粉末材料理論最大密度。
在對每個(gè)區(qū)域進(jìn)行逐一分析計(jì)算譜，最終可用圖表歸納總結(jié)出零件不同區(qū)域的密度梯度。并與設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比對。
04
測試結(jié)果
將粉末冶金輸入四檔齒輪裝配到相應(yīng)型號變速器中，并按照所匹配整車路譜生成的耐久載荷譜在專業(yè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了測試。連續(xù) 3 臺(tái)變速器通過了兩倍于耐久載荷譜運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的耐久循環(huán)試驗(yàn)，滿足此款變速器使用壽命要求。
05
結(jié)論
（1）粉末冶金齒輪作為綠色環(huán)保的可持續(xù)性技術(shù)，將帶來更高的原材料利用率、更低的能量損耗。其更少的加工工序也意味著較少的設(shè)備投入和較小的廠區(qū)面積規(guī)劃，且其生產(chǎn)效率較高，成本效益明顯。
（2）通過合理的設(shè)計(jì)，粉末冶金齒輪擁有充足設(shè)計(jì)余度、減重、降低應(yīng)力、抑制噪音、吸震等能力。在齒輪設(shè)計(jì)開發(fā)階段，工程師們又多了一種新的選擇。
（3）粉末冶金齒輪需要投入大量模具，在設(shè)計(jì)未凍結(jié)階段，模具因設(shè)計(jì)變更而帶來的成本風(fēng)險(xiǎn)較大；由于中低產(chǎn)量零件采用粉末冶金工藝生產(chǎn)時(shí)經(jīng)濟(jì)性不高，推薦大批量需求時(shí)使用。
