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发布日期:2020-06-01 16:28

  粉末冶金齿轮设计指南 编制:李宏成 2014-01-15 目 1 2 2.1 2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.4 2.5 2.6 2.7 3 3.1 3.2 3.3 概述 粉末冶金齿轮工艺流程 混料 成形 成形方式 成形条件 烧结 烧结基本原理 铜基烧结 铁基烧结 高温烧结 烧结气氛 精整 热处理 蒸汽处理 浸油 原料及选用标准 原料标准类型 材质的选用 MPIF,JIS,DIN标准材质对照表 录 4 5 6 7 8 9 10 11 粉末冶金齿轮设计方法及步骤 粉末冶金齿轮的公差 直齿轮、斜齿轮精度等级不同标准对照表 行星齿轮内孔与行星齿轮轴的配合尺寸 粉末冶金齿轮的检测 粉末冶金齿轮的设计原则 粉末冶金产品面取设计实例 粉末冶金产品毛刺的形成机理 1 概 述 粉末冶金法制造齿轮是一种高效、精密、灵活的金属加工工艺,适于大批量低成本生产高强度、 高精度公差的齿轮。目前,用粉末冶金法制造的齿轮种类有:直齿轮、斜齿轮(螺旋角小于35°)、 面齿轮、直齿锥齿轮、螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮。当齿轮含有凹槽、通孔、台阶或者凸台时,这种 工艺更显示出其优越性。随着金属粉末材料的不断改进和粉末冶金成形技术与设备的快速发展,用粉 末冶金工艺制造的齿轮质量不断提高,齿轮品种也日渐增多。目前,粉末冶金齿轮已被机械制造业, 特别是汽车、摩托车、电动工具、小家电行业普遍认同,粉末冶金齿轮制造技术日臻完善,粉末冶金 齿轮的市场不断扩大。 在传统的制造方法中,齿轮首先通过铸造、锻造和冲压等方式来获得毛坯,然后将这些毛坯通过 滚齿、插齿等方法加工而成。为了能在精密和高速运转的情况下使用,齿轮还要经过剃齿和磨齿这些 二次加工来完成。按照这些方法来生产齿轮存在如下不足之处:①加工周期长,特别是对难加工的材 料更是如此;②材料利用率低;③机加工齿轮齿部会存在不良的刀痕。 与传统的齿轮制造工艺相比,粉末冶金齿轮具有一系列的优点,因此在机械制造工业,特别是汽 车、摩托车、电动工具、办公机械、家用电器和机床等行业得到了广泛的应用。 粉末冶金齿轮的优点: 1)适合大批量生产,生产效率高,成本低。 2)当齿轮具有不规则曲线、不规则的孔、花键、键槽、径向和轴向上凸台和凹槽等形状以及成 形复合齿轮之类的齿轮时,用粉末冶金法制造,不需或只需少量切削加工。 3)由于可近终成形成品齿轮,粉末冶金法制造齿轮的材料利用率可高达95%以上。 4)粉末冶金齿轮的重复性和尺寸均一性非常好,避免了机加工齿轮过程中,由于切削刀具的磨 损、加工装置的刚性差、机床的轴承间隙不同和人为因素所造成的齿轮形状、尺寸和精度的不同。 5)粉末冶金可将几个零件一体化制造,生产出多联齿轮或复合齿轮。 6)粉末冶金齿轮的密度可控。利用这一点可制造用于特殊场合的多孔性齿轮或将齿轮的不同部 分做成不同密度。如齿毂部分具有较低的密度,可浸润滑油以增强自润滑,而齿部具有较高密度,以 提高韧性和冲击强度。 7)减少或消除了传统切削加工中不可避免的刀痕,改善了粉末冶金齿轮齿面的表面粗糙度。 8)与同等质量的机加工齿轮相比,粉末冶金齿轮的多孔性结构的声音阻尼作用可以降低齿轮运 转时的噪声。此外,粉末冶金齿轮的表面粗糙度较小和齿形一致性良好,也能使齿轮运转中的整体噪 声减小。 9)由于材料的密度降低或可根据需要设计齿轮的减重孔(或相近形状),使得粉末冶金齿轮的 整体质量减小。 粉末冶金齿轮的不足: 1)中低产量生产时并不经济。与机加工工艺相比,粉末冶金工艺制造齿轮的最小经济批量取决 于零件的大小、复杂程度、精度以及其它性能要求。在很多小批量的场合,粉末冶金齿轮的生产成本 可能比传统制造方法的成本高。 2)粉末冶金齿轮的尺寸大小受到压机压制能力的限制。 3)由于压制和模具上的原因,一般不适宜生产蜗轮、人字形齿轮和螺旋角大于35°的斜齿轮。 4)因为模腔深度和压机行程必须是齿轮厚度的2~2.5倍,同时考虑到齿轮高度纵向密度的均匀 性,所以齿轮的厚度受到限制。 2 粉末冶金齿轮工艺流程 混料 成形 烧结 浸油 出货 浸油 精整 清洗 浸油 出货 浸油 机加工 清洗 浸油 出货 常温成形 温压成形 铜系烧结 铁系烧结 高温烧结 热处理 浸油 出货 蒸汽处理 浸油 出货 2.1 混料 在压制成形前必须对原料进行混合,例如,在生产铁基制品时,根据产品的性能要求,确定出粉 末混合料的化学成分。然后,根据此成分配制混合料。混合料中除铁粉、石墨粉以外,为了改善铁粉 的压制性、使产品密度分布均匀和使产品最终孔隙互相连通,需加入少量硬脂酸锌(硬脂酸钙、硬脂 酸钡效果较差)。在生产中,有时还加入少量的硫,以减小摩檫,改善压坯的密度分布。同时,硫在 烧结过程中,生成硫化铁,它是一种良好的固体润滑剂,可提高制品的减摩性能。有时在铁粉中加入少 量的机油,使铁粉和石墨粉的混合均匀性得到改善。 2.2 成 形 2.2.1 成形方式 (1)单向压制成形 单向压制时,阴模和下模冲不动,由上模冲单向加压。在这种情况下,因摩擦力 的作用使制品上下两端密度不均匀。即压坯直径越大或高度越小,压坯的密度差 越小,所以要求单向压制的 压坯, 棒状 的H/D≤1;套类的H/δ≤3(H―压坯 高度, D― 压坯 直 径; δ―套 的 壁 厚 ) 。 单 向压 制的 优 点 是 模 具 简 单 , 操 作 方 便,生产效率高。缺点是只适于压制高度小或壁厚大的制品。 (2)双向压制成形 双向压制(图5-4)时,阴模固定不动,上下冲模以大小相等方向相反的压力,同时加压。 这种压坯中间密度低,两端密度高而且相等。 (3)浮动压制成形 下模冲固定不动,阴模用弹簧、气缸、油缸等支撑, 受力后可以浮动。当上模冲加压时,由于侧压力而使粉末 与阴模壁之间产生摩擦力Fs。此时,Fs阻止粉末向下移 动,与上模冲压力Ps方向相反.当Fs大于浮动压力Pf时,弹 簧压缩,阴模与下冲模产生相对运动,等于下冲头反向压 制。此时,上模冲与阴模没有相对运动,Fs的方向朝下。 当阴模下降,压坯下部进一步压缩时,在压坯外径处产生 阻止阴模下降的摩擦力FX。当Fx=Fs时,阴模浮动停止。 上模冲又单向加压,与阴模产生相对运动,如此循环,直 到上模冲不再增加压力时为止。此时,FS=Fx, PS=PX。低 密度带在压坯的中部,其密度分布与双向压制相同。 浮动压制是国内外最常用的一种形式。 其优点是: (1)压坯密度分布和双向压制一样; (2)压机下部有较小的浮动压力和脱模压力即可; (3)装料方便,可用料腔由零开始的零腔装料法装料。 2.2.2 成形条件 (1)常温成形 常温成形压制出来的生胚密度在5.8-7.0g/cm3之间。金属粉末通常是在单位压力275~690Mpa下压制。 压坯密度与成形压力的关系 第I阶段:粉末颗粒主要发生位移,填充孔隙,压坯的密度增加很快(a曲线部分)。 第II阶段:压坯经第I阶段压制后,密度已达一定值,这时粉体出现了一定的压缩阻力,在此阶段内压力虽然继续 增加,但是压坯密度增加很小(b曲线部分)。这是因为此时粉末颗粒间的位移已大大减小,而其大量的变形尚未 开始。 第III阶段:当压力超过一定值后,压坯密度又随压力增加而继续增大(c曲线部分),随后又逐渐平缓下来。这是 因为压力超过粉末 颗粒的临界应力时,粉末颗粒开始变形,而使压坯密度继续增大。但是当压力增加到一定的程 度,粉末颗粒剧烈变形造成的加工硬化,使粉末进一步变形发生困难,所以压坯密度又逐渐平缓下来。 (2)温压成形 温压成形需加热模具、原料到100~150℃下成形,压制出来的生胚密度在7.0-7.35g/cm3之间。 生坯密度越高,烧结体的强度和硬度也越高,烧结收缩率小,尺寸稳定,变形小。一般来说粉末冶金 产品的机械性能随生胚的密度提高而提高。 温压模具与普通模具相比寿命要短些,因为成形本身密度高模具承受的径向涨力、压制、脱模的摩擦 力要大,因此模具损耗要大些。 成形需要用到的设备有:① 成形机台 ② 模具 成形过程中需监控的项目有:轴向尺寸(即全长,段长);密度等。 成形机台吨位越大,所 能成形的产品也越大。 成形模具组合 下冲 芯棒 上冲 中模 上冲 中模 下冲 芯棒 成形模具组合 成形三步曲 1.充填 2.压制 3.脱模 将粉末充填在模腔中 上冲进入中模将粉末压制成生胚 充填状态 压制状态 上冲复位,中模下 移,生胚脱出模腔 脱模状态 半自动收料装置 成形生胚暂置台车 2.3 烧 结 2.3.1 烧结基本原理 烧结是粉末冶金生产过程中最基本的工序之一。烧结对最终产品的性能起着决定性 作用,因为由烧结造成的废品是无法通过以后的工序挽救的;相反,烧结前的工序中的某 些缺陷,在一定的范围内可以通过烧结工艺的调整,例如适当改变温度,调节升降温时间 与速度等而加以纠正。 烧结是粉末或粉末压坯,加热到低于其中基本成分的熔点温度,然后以一定的方法和 速度冷却到室温的过程。烧结的结果是粉末颗粒之间发生粘结,烧结体的强度增加。在烧 结过程中发生一系列物理和化学的变化,把粉末颗粒的聚集体变成为晶粒的聚结体,从而 获得具有所需物理,机械性能的制品或材料。烧结时,除了粉末颗粒联结外,还可能发生 致密化,合金化,热处理,联接等作用。人们一般还把金属粉末烧结过程分类为:1、单 相粉末(纯金属、古熔体或金属化合物)烧结;2、多相粉末(金属—金属或金属—非金 属)固相烧结;3、多相粉末液相烧结;4、熔浸。 2. 3.2 铜基烧结 主要烧结Cu基产品,烧结温度一般为890°C,烧结时间,从产品入炉到烧结结束大 概2.5-3小时之间。 2. 3 .3 铁基烧结 主要烧结Fe基产品,烧结温度一般为1120°C,烧结时间,从产品入炉到烧结结束大 概3.5-4小时之间。 T烧=(0.7~0.8)T熔 式中 T烧--制品烧结温度, T熔--制品中主成份的熔点 2. 3 .4 高温烧结 主要烧结不锈钢产品及一些高性能的Fe基产品,烧结温度一般为1250°C,烧结时间 从产品入炉到烧结结束大概10小时左右。 2. 3.5 烧结气氛 烧结气氛是烧结制品时必不可少的条件之一,对烧结制品的组织和性能均有很大影响。烧 结铁基制品时,希望不发生氧化、脱碳、渗碳等反应,并可使铁粉颗粒表面的氧化物得到 还原,因此烧结气氛应具有还原性。还原性气氛主要有:氢、分解氨、发生炉煤气和碳氢 化合物转化气等。 ①分解氨烧结气氛,分解氨是由液氨气化在催化剂作用下加热,分解得到的含氢气75%, 氮气25%的混合气。其化学反应为2NH3→3H2+N2 - 22千卡 液氨分解工艺流程为: 液氨瓶 减压气化 分解炉 冷却器 净化系统 氨分解气 ②碳氢化合物烧结气氛:是一种相对便宜的烧结气氛,可在特殊发生器中,使用催化剂, 通过不完全燃烧燃料瓦斯气与空气的混合气而产生。通常的燃气是甲烷(CH4),炳烷 (C3H8)或天然气,燃烧产品含有:H2,H2O,CO,CO2,N2或CH4。 烧结过程需用到的设备有:烧结炉、网盘。 烧结过程需监控的项目有:径向尺寸;硬度等。 烧结网盘 成形生胚 烧结产品准备入炉 烧结产品入炉 烧结产品出炉 烧结产品装箱 2.4 精 整 粉末压坯经烧结后,表面比较光滑,已有一定尺寸精度,但有时仍然达不到所要求的尺寸和形 状精度,因此,还必须进行精整或复压,通过精整可得到高尺寸精度,可补尝烧结中出现的挠曲或其 他尺寸缺陷。一般密度可提高0-5%。精整适用于一些齿形精度较高或尺寸精度较高但不需要机加工 的产品。此工艺受产品结构的影响较大,同时产品后处理工艺一般不建议进行热处理。产品一般是含 油轴承,连杆,高精度直齿轮。 精整设备包括:加工机,精整模具。精整过程需监控的项目有:轴向尺寸,径向尺寸等。 精整模具组合 上冲 中模 芯棒 下冲 产品 产品精整 上冲 中模 产品 2.5 热 处 理 ?热处理是显著提高铁基粉末冶金零件材料力学性能的工艺手段之一,能提高粉末冶金烧结钢的强度、 硬度和耐磨性,适用于综合机械性能要求较高的产品,一般是承受较大载荷的齿轮及一些耐磨性较高 的产品,硬度一般可以达到HRC25以上(HV0.2 450以上)。 ?表面处理有助于提高结构件的耐磨性,提高机械性能,特别是提高疲劳强度。粉末冶金件常用的表 面处理有渗碳和碳氮共渗两种,一般用于那些承受频繁循环负载和表面黏着磨损的零件,这些零件需 要表面硬度高和心部具有韧性、延展性相结合,大多数高负载的齿轮都需要进行表面处理。渗碳和碳 氮共渗处理可用于高密度、含碳量低于0.5%的烧结件,孔隙度高于10%的烧结件不宜进行这些处理, 因为大量连通孔隙会使碳迅速渗透零件,增加了零件的脆性。 ?热处理工艺---淬火+回火:①奥氏体化:在非脱碳气氛中,部件加热到高于A3(相界线℃的 温度并保持在这一温度下。②淬火:由奥氏体化温度,或由稍低一点的温度但仍高于A3的温度,将 部件淬入油中,由此奥氏体转变为硬而脆的马氏体。③回火:为消除奥氏体转变为马氏体引起的高内 应力,部件在150 ℃与550 ℃之间的温度下进行回火。可以降低脆性,提高韧性。 ?硬化层深度:自表面到平均显微硬度降到HV(0.1)550地方的距离。粉末冶金件由于显微孔隙的存在, 有利渗碳气氛的流入,导致硬化层较一般钢件深(一般在0.8mm以上)。 ?粉末冶金件的显微结构通常不如传统钢件那样均匀,因此在淬火表面以下任何给定距离,烧结钢件 的显微硬度值比传统钢要分散的多。有时测试锥打在马氏体基体中分散的铁素体,残留奥氏体或珠光 体的软点上或孔隙上,测量会有很大的偏差。一般热处理产品的显微硬度可控制在HV(0.2)500-700之 间。宏观硬度控制在HRC28MIN。 ACD:液相线 AECF:固相线 ECF:共晶线 ES:碳在γ铁中的溶解度曲线, 又称为Acm线。 GS:奥氏体和铁素体的相互转变 线线。 PSK:共析线 蒸汽处理 蒸汽氧化处理是将铁基材料产品在450-590°C下暴露于过热水蒸汽环境1~4h,在暴露期 间,水蒸汽与铁基材料发生反应生成一种粘附性的蓝灰色铁氧化物(磁铁矿, F3 O4 )。 3Fe+4 H2 O (汽)= F3 O4 + 4 H2 蒸汽氧化处理适用于综合机械性能要求中等的产品,硬度一般可达到HRB70以上。此工艺 在产品表面形成致密的氧化膜保护层,耐磨性能较好。产品一般是压缩机的阀板及电动工 具类的压板。 2.7 浸 油 粉末冶金制品浸油是一道重要的工序,可以增加粉末冶金制品的抗腐蚀性、提高耐磨 性,延长其使用寿命。铁基含油轴承烧结后进行浸油处理,润滑油即进入制品孔隙中,当 轴转动时,与轴承发生动摩擦生热,使轴承温度上升,油遇热膨胀,从孔隙中流出到轴与 轴套之间起到自动供油,形成的油膜起润滑减摩作用。浸油也能防止制品被氧化。 浸油方法可分普通浸油、加热浸油和线)普通浸油:把清洗干净的烧结制品放入机油(一般为20~30号机油)中浸泡。油在制 品的毛细管力作用下,浸入到制品的孔隙中。此法浸油效率低、浸油时间长,需几小时, 用在含油率不高的制品中。 2)加热浸油:把清除干净的烧结制品放入80~120℃热油中浸泡1小时。由于制品受热, 连通孔隙中的空气膨胀,使一部分空气被排除。冷却后,剩余部分的空气又收缩,把油吸 入到孔隙中。由于热油的流动性好,润滑性高,因而可有更多的油浸入到制品中。该浸油 方法效率比普通浸油率高。 3)真空浸油:把清理干净的烧结制品放入线毫米Hg,然后向真 空箱内放入机油,再加热至80℃,保持20~30分钟。由于制品连通孔隙中的空气被抽出, 机油可在10分钟之内浸入制品中。这种方法浸油效率高、速度快。这个过程含油率一般要 求为18%MIN。 3 原料及选用标准 3.1 原料标准类型: ·目前国际通用的原料标准有三种:MPIF标准, JIS标准和DIN标准 MPIF标准为美国标准-----Metal Powder Industries Federation (美国金属粉末工业联合会) JIS标准为日本标准-----Japan Industrial Standard (日本工业规格) DIN标准为德国标准----- Deutsches Institut für Normung (德国标准化学会) 原料编号法则: ·MPIF标准编号法则 ( 1)、MPIF结构件材质编号法则 成份:Fe-96%,Ni-2%,C-0.5%,最小屈服强度:35x1000 psi (240Mpa)。 备注:FN-0205-80HT中的HT表示需要热处理达到最小80x1000 psi的抗拉强度。 (2)、MPIF轴承材质编号法则 (3)、MPIF不锈钢材质编号法则 300系列不锈钢:303、303L、304、304L、316、316L等 400系列不锈钢:409L、410、410L、420、430、434L等 ·JIS标准编号法则 (1)、JIS结构件材质编号法则 合金系 最小抗拉强度 (3)、JIS不锈钢材质编号法则 SMS 1 035 SMF 5 Sintered Material Ferrous 030 Stainless 合金系 最小抗拉强度 (2)、JIS轴承材质编号法则 合金系 号数 含油率 SBF 2 1 18 Sintered Bearing Ferrous (SBK2118) Copper ( 日本发音: Kupfer ) ·DIN标准编号法则 SINT - D 3 成品密度代码 合金系 9 号数 备注:与MPIF、JIS标准不同的是,DIN标准采用密度来区分结构件和轴承材质。 3.2 材质的选用: ·对于支架,连杆,轴承板,偏心轮以及配重块等,一般选用SMF40系列(对应MPIF FC系列)。 优点:成形性好,价格低,烧结硬度低整形容易。缺点:一般变化率大,非整形的产品尺寸相对不 易控制。粉末冶金设备转让 ·对于轴套,隔套等定位零件,SMF40和SMF50系列(对应MPIF FC和FN系列)均可,视其功能及工 作要求选用 。 ·对于荷重齿轮,链轮,凸轮和棘轮,推荐选用SMF50系列其中的镍和钼均可起到提高强度和淬透性 的作用。对于要求耐磨和高强度的产品,可以采用温压成形工艺,并可采用高温烧结来提高密度与 强度,优点:可以一次性做到7.2g/cm^3以上的密度。缺点:生产成本较高。 3.3 MPIF,JIS,DIN标准材质对照表: 1)、Fe及Fe-C合金 MPIF 标准 F-0000-10/15/20 JIS 标准 SMF1015/20 DIN 标准 C/D/E00 特征 适于小件高精度零 件,可作为磁化铁芯 使用。 适于一般结构零件, 可淬火+回火提高强 度。 用例 衬垫、仪表用轭铁、 极靴、套筒类等。 减速器活塞环、气 门导管、上推板等。 F-000830/35/65HT/ 75HT/85HT SMF3030/35 类似C/D01 2)、Fe-Cu-C合金 MPIF 标准 FC-0200-15/18/21 JIS 标准 SMF2015/25 DIN 标准 C10 特征 用例 适于一般结构零件, 导块、球窝接头、 渗碳淬火提高耐磨性。 调速器离心独锤、 同步啮合键等。 适于一般结构零件, 渗碳淬火提高耐磨性 和强度。 减速器活塞环、气 门导管、上推板等。 FC-0200-21/24 SMF4030/40/5 0 SMF4030/40/5 0 SMF4020/30/4 0/50 C/D10 FC-020540/45/70HT/ 80HT/90HT FC-020830/40/50/60/ 50HT/65HT/80HT/ 95HT FX-1008-50/110HT FX-2008-60/90HT C/D11 适于一般结构零件, 有耐磨性,可热处理 提高强度。 油泵零件、球座、 同步器轮毂、链轮 类等。 C/D11 SMF6040//55/ 65 --- 渗铜粉末,具有优异 的耐磨性、导热性, 强度高,有气密性, 可热处理。 叶片泵转子、油封 套筒、油泵泵体等。 3)、Fe-Cu-Ni-Mo-C合金 MPIF 标准 FN-0200-15/20 FN-020520/25/80HT/ 105HT FN-020830/35/80HT/ 105HT/130HT FN-0208-30/35/40/ 80HT/105HT/130H T FN-040825/35/80HT/ 105HT/130HT FD-0205-45/50/55/ 95HT/120HT/140H T FD-0208-50/55/60 FD-0405-55/60/ 100HT/130HT FD-0408-50/55 JIS 标准 SMF5030 SMF5030 DIN 标准 C/D30, C/D39 C/D39 适于较高强度结构零 件,可热处理提高强 度和耐磨性。 特征 用例 SMF5030 C/D39 同步器轮毂、齿轮、 链轮、园林工具类、 汽车启动马达齿轮 类等。 适于较高强度高精度 结构零件,可热处理。 SMF5030/40 C/D39 (续上表) MPIF 标准 FD-0200 JIS 标准 SMF5030 DIN 标准 C/D/E30, C/D39 C/D39 特征 温压粉末,适于高强 度结构零件,可热处 理。 复压复烧粉末,适于 超高强度结构零件, 可热处理。 用例 FD-020560/160HT FD-0208-65 FD-04054) 、烧结硬化粉 65/155HT FD-0408-60/65 MPIF 标准 FL-5208 FL-5305 5)、铜基合金 MPIF 标准 CT-1000-K19/26/37 /40 CTG-1001K17/23/30/34 SMF5040 JIS 标准 --- DIN 标准 --- 特征 具有烧结硬化性,强 度高,精度好。 用例 齿轮箱,电动工 具,园林工具等。 JIS 标准 SBK1112 SBK1218 SBK2118 DIN 标准 C/D50 特征 质软、易磨合、耐腐 蚀、无磁性。 用例 止推垫圈滚动轴承 保持器、方轴承、 球轴承。 6)、不锈钢 MPIF 标准 SS-303N1-25 SS-303N2-35/38 SS-303L-12/15 SS-304N1-30 SS-304N2-33/38 SS-304H-20 SS-304L-13/18 SS-316N1-25 SS-316N2-33/38 SS-316H-20 SS-316L-15/22 SS-430N2-28 SS-430L-24 SS-434N2-28 SS-434L-24 SS-409L-28 SS-410-90HT SS-410L-20 JIS 标准 SMS1025/35 DIN 标准 C/D40 特征 用例 奥氏体不锈钢,具有 螺母、机械密封圈 优异的耐腐蚀性,无 阀栓、喷嘴、外观 磁性;其中303L不锈 件、锁件等。 钢切削性好,316L较 304L强度好。 --- --- 铁素体不锈钢,其中 用于制造耐大气、 409L不锈钢焊接性能 水蒸气、水及氧化 性酸腐蚀的零部件。 好。 SMS2025/35 C42,C43 马氏体不锈钢,具有 烧结硬化性,可以通 过热处理进一步提高 硬度。 手术刀、绞肉机刀 片。 4 粉末冶金齿轮设计方法及步骤 由于粉末冶金齿轮一般应用于行星机构的齿轮箱上,以下通过直齿轮行星机构的例子来介绍粉 末冶金齿轮设计的一般方法及步骤。(以现有产品MG5840绞肉机为例) 1、传动比的确定。 (1)、根据齿轮箱的输出性能要求及电机的输出性能参数,初步确定齿轮箱总的传动比为 81.25。 The output data of MG5840 Meat Grinder At no load condition Speed (RPM) Min. Max. Average 11700 14300 13000 160 81.25 Item 1 2 Total Gear ratio Remark Motor output data Gearbox output data (2)、初步确定齿数确定每一层的传动比(齿数取值:lst layer:worm=2,worm gear=36;2nd layer : sun gear=15,ring gear=51),最终确定齿轮箱的总牙比为79.2。(i1=18, i2=51/15+1=4.4) Description 1st layer gear 2nd layer gear worm worm gear sun gear planet gear ring gear Tooth number Tooth number Tooth number Tooth number Tooth number gear ratio 18 4.4 79.2 2 -- 36 -- -15 -(18) -51 total gear ratio 2、粉末冶金设备网确定行星齿轮的齿数Z2。 Z2(planet gear)=[Z3(ring gear) – Z1(sun gear)]/2 =(51-15)/2 =18 3、确定齿轮的模数m。 m=54/(51+5)=0.96, 取m=1.0 其中:54-----ring gear的齿根径;51-----ring gear 的齿数;5-----变位齿数 (ring gear 最小壁厚取2mm,则ring gear 的齿根径=gear housing内径- ring gear 最小壁厚*2=58 -2*2=54) 模数的确定也可通过测量Benchmark samples得出相关数据,然后通过以下公式计算出模数。 m=[T(n+1)-Tn]/(Pi*cos20) 其中,Tn为跨n个齿的公法线)个齿的公法线、行星齿轮个数n的确定。 Z3(ring gear)+Z1(sun gear)=51+15=66 可取值n=3 ------ (Z3+Z1)/n=整数。 5、校核行星齿轮之间是否干涉。(行星齿轮之间的间隙必须大于0.2mm) (Z1+Z2)*sin(180°/n)>Z2+2 *h* 其中,n为行星齿轮个数,h* 为行星齿轮齿顶高系数。 即 (15+18)*sin(180°/3)>18+2*1 28.58>20 (不等式成立,符合要求。) 6、中心距的计算:a1=1/2*m*(Z1+Z2)*cosα/cosα”,其中α压力角,α”为变位角, inV α”=inV α+2*(x1+x2)/(z1+z2)tan α, inV α=tan α+ α(弧度).。(1度=π/180弧度) 7、齿形参数及强度计算(齿轮设计软件 演示)。 5 粉末冶金齿轮的公差 Tolerance for gear design------Powder metal 1st and 2nd layer Description Pinion Outside diameter Root diameter Base tangent length / measurement of over n pin Runout tolerance Center distance Normal backlash Tip clearance AGMA ISO 1328 Planet gear Ring gear Pinion 3rd layer Planet gear Ring gear Pinion 4th layer Planet gear Ring gear 0.1 0.04 0.04 0.1 0.04 0.05 0.04 0.127 0.127 0.127 -- 0.12 0.05 0.05 0.1 0.05 0.05 0.04 0.30≥jn≥0.10 ≥0.15 0.15 0.15 0.15 -- 0.12 0.05 0.05 0.1 0.05 0.05 0.04 0.30≥jn≥0.10 ≥0.15 0.15 0.15 0.15 -- 0.30≥jn≥0.10 ≥0.15 8 9 8 9 7 10 8 9 8 9 7 10 8 9 8 9 7 10 6 标准 JIS B 1702-1976 ISO 1328-1975 直齿轮、斜齿轮精度等级不同标准对照表 精度等级 0 4 4 4 1 5 5 5 2 6 6 6 3 7 7 7 4 8 8 8 5 9 9 9 6 10 10 10 JGMA 111-03(1982) DIN 3962 AGMA 390.03(1973) 齿距误差 齿形误差 齿跳误差 齿筋误差 13 14 13 11 12 12 12 10 10 11 11 10 9 10 10 9 8 9 9 8 7 8 8 7 6 7 7 6 7 行星齿轮内孔与行星齿轮轴的配合尺寸 8 粉末冶金齿轮的检测 检测项目:对于齿轮类的产品,在强度方面,主要以齿抗、密度和硬度来衡量齿轮的机械 性能;在精度方面,主要通过对齿轮的Fa,Fβ,FP,fpt ,Fi” , fi”,Fr的检测来评定齿轮的精 度等级。 齿抗的检测 检测齿抗时首先要确定跨n个齿的宽度(Test span width),该值可通过TK程序计算。 定义:單位體積所含的質量,用於反映物質的密集程度,防止有空孔產生,即 . ρ 也可用單位體積的重量來反映,即比重 ρ = 密度的检测 = G m = g ( g / cm 3 ) V V m (kg / m 3 ) V 測量方法: 1、用酒精將被測量零件清洗干淨,然後放在干淨的白紙上,讓酒精和水分完全揮發掉,待水分蒸干後, 將該零件放入三氯乙烯溶液中浸泡16小時後,取出,放入40℃焗爐裡保溫2小時,冷卻後,用分析電 子天平測出其在空氣中的重量G,再用一根重G1 ( G1 ? G ,且 G1越小越有利於測量精度)的細 100 銅絲將零件栓牢,一端掛在分析天平上,另一端將零件完全浸入水中,待穩定後,讀出分析天平顯示 的重量,注意,在讀數前,應將零件表面氣泡完全除掉,否則會極大地影響測量結果。 2、由阿基米 德定律知,浮力 F = G ? (G 2 ? G1 ) = (G ? G 2 + G1 ) = Vρ 水 , 則該零件的體積 [ ] V = (G ? G2 + G1 ) ,由此可計算出零件的比重(密度): ρ = G G = ( g / cm 3 ) V G ? G 2 + G1 硬度的检测 粉末冶金件的显微结构通常不如传统钢件那样均匀,因此在淬火表面以下任何给定距离,烧 结钢件的显微硬度值比传统钢要分散的多。有时测试锥打在马氏体基体中分散的铁素体,残留奥 氏体或珠光体的软点上或孔隙上,测量会有很大的偏差。所以,粉末冶金齿轮的硬度,一般分为 宏观硬度和微观硬度,宏观硬度受制品的孔隙度影响较大,只能反映制品强度和硬度的综合值, 微观硬度对于空隙的敏感度会变小,所以会比较准确的反映材料烧结或热处理后的硬度,也就是 我们常说的颗粒硬度,微观硬度非常接近同材质和处理工艺的钢材。选择宏观硬度还是选择微观 硬度需要根据实际需求确定。对于要求较高的场合,一般会同时控制这两种硬度,这样可以比较 全面的反映材料的物理特性。 一般取值: 宏观硬度:HRC28min; 微观硬度:HV(0.2)500~700。 维氏硬度定义:用夾角為136?的金剛石四方角錐體壓入試樣,以單位壓 痕面積所受載荷表示材料的硬度.即: HV = 0.102 F 0.2 F α = 2 sin S 2 d 式中F-載荷(N),S-壓痕表面積(mm^2),d-壓痕對角線長度的平均值(mm). 也可根據對角線長度d,查表確定硬度值. Fa,Fβ,FP,fpt ,Fi” , fi”,Fr的定义(根据标准ANSI/AGMA ISO1328) Fa主要颢响传动的平 稳性、噪音、振动。 Fβ主要影响载荷分 布的均匀性。 FP主要影响传递运动的准确性。 fpt主要颢响传动的平稳性、噪音、振动。 Fi”主要影响传递运动的准确 性; fi”主要颢响传动的平稳 性、ag8备用网址,噪音、振动。 单齿径向综合偏差( fi” ):是当产品齿轮与测量齿轮啮合一整圈 时,对应一个齿距(360°/Z)的径向综合偏差值。 Fr主要影响传递运动 的准确性。 径向综合总偏差 Fi” ,单齿径向综 合偏差fi”的检测 产品齿轮 测量齿轮 齿轮双面啮合检查仪 Fa ,Fβ ,FP,fpt的检测 探针 齿轮 齿轮齿形检查仪 齿形总偏差(Fa)检测报告: 螺旋线总偏差(Fβ )检测报告: 齿距累积总偏差(Fp )及单齿距偏差fp t)检测报告: Fr (径向跳动)的检测 齿轮跳动检查仪 球的直径约为1.72*m,m为模数。 内齿圈跨棒距的检测 Pin的直径约为(1.68~1.90)*m,m为模数。 合理 不合理 测量跨棒距首先要选择量棒,量棒直径精度 很高一般在0.001mm,直径的选择一般是让量 棒和齿轮齿面接触点在节圆附近,并且量棒 要高出齿顶,可以在此尺寸附近用已有的量 棒。如果偶数齿,对半均分齿数,奇数齿一 边多一个齿,另一边少一个齿。然后用外径 千分尺测量量棒最高点之间的距离即可。 注意:不同尺寸的量棒,跨棒距也不一样, 但是可以相互换算,所以如果图纸要求用2.48 的量棒,你有2.5的量棒,只需要换算一下2.5 对应的跨棒距就可以用2.5的量了。 齿轮公法线长度的检测 测量时,要求测头的测量平面在齿轮分度圆附近与左、右齿廓相切,因此跨齿数k不 是任取得。跨齿数:k=α*Z/180°+0.5,(四舍五入) 其中: α为压力角,Z为齿数。 9 粉末冶金齿轮的设计原则 粉末冶金齿轮的设计原则包括如下问题: 1)压坯脱模 齿轮成形一般都是在垂直方向进行的,所以像齿轮根切、倒锥角、与压制 方向垂直的孔和槽、螺纹、菱形滚花和凹角等结构都会妨碍压坯从模具中脱模,必须 对它们进行一些修改,修改成能够脱模的形状,经烧结后再辅助机加工。 2)模具装粉 齿轮的设计应该考虑在压制过程中粉末能够易于填充整个型腔。金属粉末 不能象液体一样易于流动,因此,齿轮应该避免有极薄壁的截面、细窄凹槽、尖角和 很深的沉孔,否则金属粉末将会装粉不足,模冲易于折断。适当的简化设计还往往会 提高模具的使用寿命。 3)间隔 齿轮、链轮或偏心轮的轮毂都可用粉末冶金法直接成形,但是在设计中要保证 轮毂的外径和齿根径之间有足够大的允许间隔,即轮毂直径和齿根直径这差不能少于 3.0mm,粉末冶金烧结炉价格价格单面不得小于1.5mm(如下图所示)。此外,齿轮设计中也要保证孔内径和齿 根径之间有足够大的间隔,其变化范围可从小齿轮的0.9mm到较大齿轮的7.5mm,视 具体情况而定。 4)厚度变化 多联齿轮易于直接成形,但其结构上应尽量避免在截面厚度上的急剧变化 (如下图所示)。因为截面急剧变化的零件将引起密度的变化,在烧结和热处理过程 中易于产生变形和尺寸不稳定现象。对于多台面的零件,往往通过限制台面数来获得 较佳的密度分布和强度。一个零件可有的台面数量是由压机类型和压制模具的设计来 决定的。 5)过渡圆角 复合多台面结构的齿轮应尽量避免直角相交,如带法兰的压坯和双联齿轮,在截面变 化的分界处一般需要做成半径不小于0.25mm的圆角,这些过渡圆角明显增强压坯的整体性。压制 时尖角部位不利于粉末充填,并且易产生应力集中和开裂。 6)倒角 齿轮外形设计常常对一些边角进行处理,如齿顶和齿根端面倒角以及内外径的倒角。倒角 一般采用30~45°并在倒角末端做出不小于0.25mm的平台(如下图所示)。倒角有两个主要 目的:①提高齿的密度。齿的密度越高其力学性能,特别是强度就越高。②减少毛刺的不利影响 ,在绝大部分情况下能防止毛剌的产生。毛剌通常是由模具各部分的配全间隙产生,它也能通过 光饰或滚筒处理去除。 7)键槽 齿轮的键槽可采用凸键、凹键或平键,但当齿根圆直径与带键的中心孔直径相近,即出现 局部狭窄时,建议采用凹键或平键(如下图所示),以利于粉末充填均匀和增强压坯和模冲的强 度。 8)减重孔 当齿轮外径较大,需要减重时,减重孔推荐采用圆形(如下图所示),因为圆形孔易于 加工制造和安装,可降低成本。 9)齿形 齿轮的完整渐开线齿形可用粉末冶金法成形,如果在齿轮齿形的齿顶和齿根的尖角处修改 成圆滑的圆弧过渡圆结构时,齿根的强度可增高35%左右,并可降低运转噪音。 未修正齿形 已修正齿形 10 粉末冶金产品面取设计实例 齿形面取 一般产品面取 内孔导角面取 11 粉末冶金产品毛刺的形成机理 为了保证模具的各部分能顺畅的相对移动,各模具配合之间应该有间隙,在间隙中会产生 毛刺。 毛刺 模具间隙 The end