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，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，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、燒結(jié)和表面致密化處理，所以需要滿足以下幾個方面的要求。
（1）擁有良好的流動性及壓制性，保證壓制出的齒輪各部位都能達(dá)到設(shè)計所需密度。
（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，運用公式（1）和（2）得到可用于仿真分析計算的重要參數(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
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)計可以免去鋼件上的一些空刀槽，使結(jié)構(gòu)更緊湊。
同時，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時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，并防止出現(xiàn)裂紋。
（2）盡量避免在側(cè)壁上設(shè)計溝槽和沉孔，因為光滑的側(cè)壁有利于壓實或減少余料。
（3）應(yīng)盡量設(shè)計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。
（4）在各側(cè)壁上的過渡交接處應(yīng)采用圓角設(shè)計，避免出現(xiàn)銳邊，防止模具和壓坯時產(chǎn)生應(yīng)力集中。
仿真疲勞強(qiáng)度計算
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、齒面點蝕等失效?；谝陨显颍勰┮苯鹱兯倨鼾X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。兩個依據(jù)齒輪產(chǎn)品漸開線幾何形狀而專門設(shè)計的主動滾壓齒輪將“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，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，由于材料的彈性與應(yīng)力釋放，輾軋后會產(chǎn)生彎曲變形，致使齒面產(chǎn)生齒廓對中誤差。熱處理時的高溫變形，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，并重點關(guān)注。
基于阿基米德方法，可以找到一種分析計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)計算出真實的密度值。
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。
在對每個區(qū)域進(jìn)行逐一分析計算譜，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)實驗臺架上進(jìn)行了測試。連續(xù) 3 臺變速器通過了兩倍于耐久載荷譜運轉(zhuǎn)時間的耐久循環(huán)試驗，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，粉末冶金齒輪擁有充足設(shè)計余度、減重、降低應(yīng)力、抑制噪音、吸震等能力。在齒輪設(shè)計開發(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)計未凍結(jié)階段，模具因設(shè)計變更而帶來的成本風(fēng)險較大；由于中低產(chǎn)量零件采用粉末冶金工藝生產(chǎn)時經(jīng)濟(jì)性不高，推薦大批量需求時使用。
