粉末冶金凸輪軸信號盤的研發(fā)

摘要：根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及使用工況情況，合理運用粉末冶金成形和燒結(jié)原理，實現(xiàn)了上二下三凸輪軸信號盤的自動成形、自動整形；正確選用材質(zhì)以及工藝，使產(chǎn)品尺寸、性能滿足了工況使用要求。

關(guān)鍵詞：凸輪軸信號盤；粉末冶金；尺寸精度

中圖分類號：U466 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2550（2013）04-0058-06

發(fā)動機是汽車的動力源，而信號盤相當(dāng)于控制發(fā)動機的開關(guān)，其相位角度的設(shè)計及精確控制，對發(fā)動機各個氣缸的協(xié)調(diào)工作起著至關(guān)重要的作用，信號盤提供信號給轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速傳感器再把信號傳遞給ECU，ECU收到該信號就控制發(fā)動機噴油及點火。當(dāng)信號盤旋轉(zhuǎn)時，磁路中的氣隙就會周期性地發(fā)生變化，磁路的磁阻和穿過信號線圈磁頭的磁通量隨之發(fā)生周期性變化。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，傳感線圈中就會感應(yīng)產(chǎn)生交變電動勢，而產(chǎn)生的交變電動勢控制著氣缸點火時間及順序，需要信號盤具有精確的相位角度；由于電磁感應(yīng)式傳感器輸出電壓的峰值隨轉(zhuǎn)速的大小而變化，在發(fā)動機啟動時的低速狀態(tài)下，感應(yīng)電壓很低，也需要信號盤的信號齒具有良好的磁感應(yīng)性能，以提高信號輸出靈敏度。

1 產(chǎn)品設(shè)計

1.1 產(chǎn)品性能設(shè)計

凸輪軸信號盤是傳感器的信號轉(zhuǎn)子，裝配在凸輪軸上，利用其外圓的4個凸齒，在磁場里旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生周期性交變電動勢，控制發(fā)動機點火順序，保證點火正時。主要利用其良好的磁感應(yīng)性能及精確的相位角度，保證發(fā)動機各個氣缸的協(xié)調(diào)工作，因其產(chǎn)生的信號是通過電流傳遞給ECU，為了削弱磁場對電流的影響，信號盤本身的磁場強度應(yīng)有嚴(yán)格的限制。

1.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計

凸輪軸信號盤產(chǎn)品見圖1。信號盤外圓有4個凸齒，2個68°大凸齒，2個18°小凸齒，2個72°大缺齒，2個22°小缺齒。信號盤每轉(zhuǎn)過一個凸齒，傳感器中就會產(chǎn)生一個周期性交變電動勢，并相應(yīng)地輸出一個交變電壓信號，故凸輪軸旋轉(zhuǎn)一周會有4個交變信號產(chǎn)生，ECU每接收4個信號，即可知道凸輪軸旋轉(zhuǎn)了一圈。

2 工藝方案設(shè)計

產(chǎn)品內(nèi)孔精度等級較高，達(dá)到了8級精度，銷孔精度達(dá)到7級；產(chǎn)品外圓信號齒角度的精確性關(guān)系到裝機后信號的準(zhǔn)確性，另外根據(jù)產(chǎn)品的使用工況，要求產(chǎn)品具有較低的剩磁強度，較高的齒部密度。產(chǎn)品主要技術(shù)要求如表1所示。

根據(jù)上述分析，結(jié)合供應(yīng)商實際生產(chǎn)情況，確定此零件的生產(chǎn)應(yīng)該包含以下主要工序：

（1）成形：保證產(chǎn)品的外形以及密度要求，如相位角度，內(nèi)孔尺寸；

（2）燒結(jié)：保證產(chǎn)品基本性能的要求，如強度、硬度、密度等；

（3）整形：對燒結(jié)變形的產(chǎn)品進(jìn)行外形的校正，同時提高內(nèi)孔以及信號齒角度的精度；

（4）鉆孔、鉸孔：保證產(chǎn)品銷孔達(dá)到要求。

（5）退磁：保證產(chǎn)品有較低的剩磁強度。

3 成形方案設(shè)計

3.1 方案設(shè)計以及壓機選擇

（1）考慮產(chǎn)品的工藝性能、形狀、精度以及表面的要求，除了定位銷孔處必須采用機械加工外，其余均可以不采用后續(xù)機械加工。

（2）通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，零件上端面1個臺階面，下端面2個臺階，整體上構(gòu)成一個典型的上二下三結(jié)構(gòu)的粉末冶金結(jié)構(gòu)件，在粉末冶金壓坯形狀上定義為Ⅳ型壓坯，Ⅳ型壓坯必須由陰模，一個上模沖、三個下模沖和芯棒組成的模具成形，由于沿壓制方向橫截面有變化的不等高壓坯，要保證其密度的均勻性，必須按相同的壓縮比來計算裝粉高度，同時為了保證外圓凹槽根部的圓角能夠光滑過渡，采用臺階陰模結(jié)構(gòu)取代了1個下模沖。

方案1：成型方案采用上一下二結(jié)構(gòu)，信號盤正面信號齒部（A區(qū)）、齒根（B區(qū)）、臺階（C區(qū)）為一整體模沖，造成ABC區(qū)密度分布極不均勻，從其硬度分布可以得到驗證（A區(qū)平均硬度32HRB， B區(qū)平均硬度52HRB，C區(qū)平均硬度70 HRB）。因為ABC區(qū)為一整體模沖，在成型時，A區(qū)松裝填充不夠，造成成型后密度低，而A區(qū)恰好是信號作用區(qū)域，磁感應(yīng)強度和產(chǎn)品的密度值直接相關(guān)，密度越高，磁感應(yīng)強度越高，若密度低，對其磁感應(yīng)強度及傳遞信號準(zhǔn)確度還是不容忽視的。矯頑力和磁導(dǎo)率都對孔隙雜質(zhì)敏感，孔隙和雜質(zhì)含量越少，矯頑力場就越小，磁導(dǎo)率就越高，若密度越低，孔隙就越多，對其矯頑力和磁導(dǎo)率影響就越大。故對于粉末冶金信號盤，其信號作用區(qū)齒部密度不宜過低。

方案2：成型方案采用上一下二+臺階陰模結(jié)構(gòu)（上一下三結(jié)構(gòu)），信號盤正面信號齒部（A區(qū)）、齒根（B區(qū)）為一模沖，臺階（C區(qū)）為臺階陰模。因為ABC區(qū)是分沖結(jié)構(gòu)，在成型時，AB區(qū)和C區(qū)的松裝填充可調(diào)，使得成型后ABC各區(qū)密度均勻，從其硬度分布及波動可以得到驗證（A區(qū)平均硬度61 HRB， B區(qū)平均硬度66 HRB，C區(qū)平均硬度64 HRB）。A區(qū)的密度相對提高（方案2產(chǎn)品硬度61 HRB大于方案1產(chǎn)品硬度32 HRB），而A區(qū)恰好是信號作用區(qū)域，故方案2信號盤磁感應(yīng)強度比方案1產(chǎn)品要好。同時方案2產(chǎn)品整體密度均勻，在裝配過程中不會產(chǎn)生破裂，提高了產(chǎn)品各項性能要求。

（3）通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)計算此產(chǎn)品所需壓制壓力，需130 T的成形壓力。

（4）考慮到壓坯各部分的密度分布的均勻性，壓坯的精度、模沖的個數(shù)，以及成型過程中粉末的移動以及供應(yīng)商成型壓機的特點、模架結(jié)構(gòu)，為充分體現(xiàn)粉末冶金的特點，此次選擇帶用上三下三模架的機械式S-200T壓機。

3.2 模具參數(shù)設(shè)計

新開發(fā)凸輪軸信號盤模具設(shè)計主要參數(shù)如表2所示。

3.3 成型動作解析

成形動作：裝粉→上沖下行→陰模強制拉下→下浮動沖落在擋塊上→臺階陰模落在擋塊上→成形終了→上缸給保護(hù)壓力→陰模止擋打開脫陰模→下浮動沖擋塊打開脫浮動沖→脫芯棒→上缸回程→機械手夾持脫出產(chǎn)品。

（1）裝粉：因為該零件壁厚較薄，粉末之間會產(chǎn)生拱橋效應(yīng)，為了使裝粉均勻，必須采用裝粉效果較好的吸入法裝粉。

（3）壓制成形：上沖下行與陰模合縫后，強制拉下陰模，下浮動沖落在擋塊上，上沖與陰模繼續(xù)下行直至陰模落在擋塊上，調(diào)整陰模和外浮動沖的壓制速率，避免因非同時成形而產(chǎn)生裂紋。

（4）脫模：采用陰模拉下式脫模，即陰模向下運動，逐漸脫出下外沖、下內(nèi)沖、芯棒。脫模時要注意采用保護(hù)脫模，即脫模過程中上模沖給予產(chǎn)品一定的壓力，待下外沖脫出陰模的同時撤去上外沖的保護(hù)壓力，上內(nèi)沖繼續(xù)保持壓力，直至下內(nèi)沖脫出陰模，最后中心缸將芯棒抽回。保護(hù)脫模可以避免產(chǎn)品出現(xiàn)掉塊、裂紋等外觀缺陷。

成形裝配示意圖如圖3所示。

4 材質(zhì)工藝設(shè)計

原材料選擇依據(jù)：根據(jù)凸輪軸信號盤的工作原理、粉末冶金件凸輪軸信號盤的綜合性能及尺寸要求，原材料應(yīng)該具備以下四個方面的性能：

（1）磁性能好。對于磁性材料，碳的存在降低一定的磁性能，故碳含量應(yīng)盡量低。同時，磁感應(yīng)強度和產(chǎn)品的密度值有直接相關(guān)，密度越高，磁感應(yīng)強度越高。矯頑力和磁導(dǎo)率都對燒結(jié)條件和間隙雜質(zhì)敏感，燒結(jié)溫度越高和雜質(zhì)含量越少，矯頑力場就越小，磁導(dǎo)率就越高。燒結(jié)溫度越高，時間越長，金相組織平均晶粒尺寸就越大，孔隙越圓滑，磁性能就越好[1]。

（2）壓制性和穩(wěn)定性好，磁性材料，傳遞信號部位密度越高，磁感應(yīng)強度越高，傳遞信號就越準(zhǔn)確。磁性粉末又必須同時具備穩(wěn)定的粒度分布與粒度組成且化學(xué)成分均勻、無偏析、穩(wěn)定的流速以及穩(wěn)定的松裝密度等重要特性。由于在混料中可能產(chǎn)生的不均勻，包括比重偏析在內(nèi)的混合料不均勻性，在燒結(jié)中因燒結(jié)溫度和保溫時間及壓坯密度不均勻等造成的擴(kuò)散不充分，則會引起組織不均勻，并使零件性能產(chǎn)生波動。而采用Fe-Cu-C粉末原料，因Fe和Cu的比重相差不大，不容易發(fā)生偏析[2]，且Cu相對較軟，能提高壓制性能。

（3）尺寸穩(wěn)定性，凸輪軸信號盤信號齒角度精度越高，傳遞信號的準(zhǔn)確度就越高，其金相組織平均晶粒尺寸越大，孔隙越圓滑，磁性能就越好。但對于粉末冶金件，要使其組織平均晶粒尺寸越大、孔隙越圓滑就需要較高的燒結(jié)溫度和較長的燒結(jié)時間。而燒結(jié)溫度越高，時間越長，尺寸變化又越大[3]，尺寸精度尤其是相位角度就難以保證。同時信號盤需裝配到凸輪軸上，其內(nèi)孔精度及材料的強度和韌性一定要保證。綜合以上各種因素，選擇添加少量的C及一定比例的銅，既能穩(wěn)定產(chǎn)品尺寸變化，提高強度、韌性，還能提高密度，降低孔隙率，后續(xù)再通過整形對零件的尺寸以及形位公差進(jìn)行校正。既保證了可靠磁性能，又保證了產(chǎn)品強度、韌性及尺寸要求。

（4）燒結(jié)后要滿足產(chǎn)品既定的性能要求：產(chǎn)品密度≥6.4 g/cm3 ，硬度≥40 HRB，抗拉強度≥300 MPa，延伸率≥1%。

根據(jù)以上提出的材料性能要求，經(jīng)過性能試驗對比和燒結(jié)綜合參數(shù)測定，結(jié)合現(xiàn)有的材料標(biāo)準(zhǔn)提供的相關(guān)材質(zhì)達(dá)到的性能指標(biāo)，選取Fe-Cu-C材料。

綜上所述，選取供應(yīng)商牌號為F1407的鐵粉，其性能參數(shù)如表3所示。

5 燒結(jié)工藝設(shè)計

為保證凸輪軸信號盤在燒結(jié)過程中具有理想的金相組織，穩(wěn)定的尺寸，結(jié)合供應(yīng)商現(xiàn)有設(shè)備實際特點，選用德國進(jìn)口的步移梁式燒結(jié)爐，步進(jìn)梁式燒結(jié)爐具有以下優(yōu)點：

（1）能夠?qū)崿F(xiàn)高溫?zé)Y(jié)，提高燒結(jié)溫度可以提高生產(chǎn)效率，實踐中發(fā)現(xiàn)提高55℃燒結(jié)溫度對致密化程度的影響效果相當(dāng)于延長燒結(jié)時間幾十倍或幾百倍[4]。

（2）在工作過程中可提供連續(xù)的、可重復(fù)的時間-溫度-氣氛曲線，這在粉末冶金生產(chǎn)中非常重要，當(dāng)爐子的舟速一定時，各個溫度可控帶設(shè)定的溫度以及氣氛組成、氣氛流量已經(jīng)確定時，則通過該燒結(jié)爐的所有壓坯都是在一組相同的工藝參數(shù)下燒結(jié)的，結(jié)果是建立了一條穩(wěn)定的加熱曲線，這就保證了燒結(jié)零件的質(zhì)量即零件尺寸、性能的均勻一致性[4]。

（3）操作簡單，自動化程度高；輔料消耗和熱損失小，零件受熱均勻；依據(jù)所選燒結(jié)爐制訂燒結(jié)爐工藝，即各區(qū)溫度、燒結(jié)速度，以及氣氛流量的大小，結(jié)合燒結(jié)爐的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷的大小、加熱時間以及保溫時間并結(jié)合粉末具體參數(shù)變化，確定了以下擺放方式，即采用架燒模式，產(chǎn)品4x4均勻擺放在石墨墊板上，產(chǎn)品間隔10～20 mm，如圖4所示。

6 整形工藝設(shè)計

6.1 整形方式的選擇——全整形

為了保證信號盤的端面端跳、齒相位角度、平面度以及內(nèi)孔精度，必須對燒結(jié)后的毛坯進(jìn)行全整形，即內(nèi)外徑以及高度方向均產(chǎn)生塑性變形。全整形塑變充分，產(chǎn)品出模后彈性回彈小，制品的內(nèi)外徑尺寸精度可達(dá)到IT6-7級[5]，滿足本產(chǎn)品設(shè)計要求。

6.2 整形方案設(shè)計

（1）因為產(chǎn)品成形和燒結(jié)后，產(chǎn)品下部兩個臺階面的高度可能會和預(yù)想的會有差異，所以下沖最好做成分沖，這樣根據(jù)燒結(jié)后產(chǎn)品上下兩個臺階的高度，可以調(diào)節(jié)好分沖之間的段差。

（2）理論上整形時應(yīng)先讓下外模沖和上模沖接觸產(chǎn)品，再讓下內(nèi)沖接觸產(chǎn)品，這樣可以避免產(chǎn)品在臺階圓角處出現(xiàn)裂紋，實際上整形時壓下量只有0.1 mm左右，在壓機上不易測量，可根據(jù)產(chǎn)品出模后的狀態(tài)做進(jìn)一步的調(diào)整。

6.3 壓機的選擇

根據(jù)產(chǎn)品的形狀以及整形方式，決定了整形壓機必須選擇帶上二下二或上二下三模架的壓機，同時該產(chǎn)品的整形壓力經(jīng)過計算需要100 T左右，結(jié)合供應(yīng)商的實際情況，選擇帶有上二下三結(jié)構(gòu)模架的315 T液壓機。整形裝配圖如圖5所示。

7 后加工工藝設(shè)計

凸輪軸信號盤銷孔精度達(dá)到7級，其位置與產(chǎn)品外圓齒開口角度的位置關(guān)系精確度關(guān)系到裝機后信號的準(zhǔn)確性，故其孔徑及孔位置精度的尺寸尤為重要。

（1）在樣件階段采用的是鉆孔、鉸孔方式，鉆孔和絞孔是分開完成的，設(shè)計了專用夾具及檢具，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）量產(chǎn)后考慮使用專機加工，設(shè)計一套專用夾具，保證在一次裝夾的情況下完成鉆孔、絞孔、檢測、壓裝，提高效率。

8 產(chǎn)品的性能及尺寸測試結(jié)果

對于不熱處理的粉末冶金零件，燒結(jié)后產(chǎn)品的性能已確定，故產(chǎn)品關(guān)鍵尺寸檢測如表6所示。

產(chǎn)品所有關(guān)鍵尺寸PPK>1.67，過程能力充分。

9 結(jié)論

（1）合理的成形模具分沖設(shè)計，使得凸輪軸信號盤各區(qū)密度均勻，提高了信號輸出靈敏度。

（2）合理的燒結(jié)及全整形工藝設(shè)計，有效地提高了信號盤的相位角度、內(nèi)孔IT8級精度等要求，保證了對發(fā)動機各個氣缸工況的精確控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[2] 韓鳳麟.粉末冶金零件設(shè)計與應(yīng)用必備[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[3] 劉傳習(xí)，周作平.粉末冶金工藝學(xué)[M]. 北京：科學(xué)普及出版社，1985.

[4] 周作平.粉末冶金機械零件實用手冊[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[5] 韓鳳麟粉末冶金設(shè)備實用手冊[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.