粉末冶金汽車同步器齒轂模具改進設計

王海洋，苑有印，張志剛

（1.遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001；2.興城市粉末冶金有限公司，興城 125100）

0 引言

粉末冶金是制取金屬粉末或用金屬粉末(金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料，經過成形和燒結，制取金屬材料、復合材料以及各種類型制品的工業技術，具有材料利用率高、生產成本低廉、生產效率高、適合大批量生產等優點[1,2]。粉末冶金模具是產品最終性能、形狀及尺寸精度的決定因素，模具設計的優劣直接影響著制品質量的高低[3]。本文改進設計的模具用于汽車同步器齒轂生產，由于齒轂的形狀結構比較復雜，因此在生產加工中需要先將復雜的模具進行簡化，并在后續的機械加工中保證零件設計尺寸精度的實現，這樣不僅使加工工序繁瑣、效率降低，而且還會因為模具的簡化導致壓坯密度分布的均勻性大幅度降低。

1 產品分析

汽車同步器齒轂（如圖1所示）是汽車變速箱中的重要零件，是粉末冶金生產工藝制造中的典型產品。由圖1可以看出，齒轂零件軸向上共有兩個端面，且每個端面上分別有三個臺階面，即此零件為不等高（多臺階）壓坯，因此需要按照多臺階壓坯密度均勻分布的遵循原則來設計模具。根據壓制工藝要求，每個臺階面必須對應相應的壓制模沖，以達到壓坯密度分布均勻的目的[4]。

圖1 同步器齒轂零件圖

2 原有設計方案

由于齒轂零件上每個臺階面所對應的模沖要與相應的模板固定，這就需要通過“上三下三”模架或“上三下四”模架來完成此操作。但是目前企業中缺乏此類模架，只有“上二下三”模架。“上二下三”型的模架顧名思義就是只有兩個上模板和三個下模板，那么兩個上模板最多只能與兩個上模沖固定，三個下模板最多能與三個下模板固定，而此零件需要上下各三個模沖，這就要求模架要有三個上模板才能與之配合。為了能使“上二下三”型模架能壓制此零件，在實際設計中將上二模沖和上三模沖合并成一個如圖2所示的模沖，用一個模沖來壓制兩個臺階面，模沖實物圖如圖3所示，簡化模具壓制成形時的狀態如圖4所示。

圖2 模沖零件圖

圖3 模具實物圖

圖4 模具壓制示意圖

如圖4所示，A、B兩部分的壓坯臺階高度為6.2mm，而壓坯的總厚度為18.5mm，A、B兩臺階的高度差為總厚度的三分之一，如果按照這樣的方案設計模具，就違背了多臺階壓坯密度分布均勻的原則。對于壓制多臺階壓坯時，不同橫截面相對應的模沖移動的距離和速度必定不等，即不能采用整體模沖壓制多臺階壓坯，這樣會導致A、B兩部分的密度差較大，通過排水法測量這兩部分的密度，其密度差可達到1g/cm3，密度差較大會影響產品的最終力學性能，使得兩部分的強度差別過大[5]。為了改善兩臺階的密度差，設計時可將壓制A、B兩個臺階的上內模沖端面的臺階高度減小為2.9mm，但是這樣的模沖不能壓制出產品所要求的槽深，即B部分槽深小于設計尺寸，因此只能通過后續的機械加工來到達產品設計要求。這樣不僅使工序繁瑣、效率低、能耗大，而且仍不能很好的改善壓坯密度分布不均的情況[6]。

3 模具改進設計

本文設計一套帶有“移粉機構”的粉末冶金模具，以解決原有模具設計中存在的問題。“移粉機構”示意圖如圖5（自由狀態）和圖6（成形狀態）所示，圖7為模具總裝配圖。

圖5 自由狀態

圖6 成形狀態

圖7 模具裝配圖

由圖5可看出，裝粉時，壓機將陰模及模沖分別調整至所需要的裝粉高度。因為在裝粉時壓機還沒有施加壓力，所以碟簧處于常態（自由狀態），上Ⅱ模沖處于移粉位置[7]。

壓制成形時，壓機帶動上模板向下移動，上Ⅰ模板帶動上Ⅲ模沖下降，上Ⅱ模板帶動上Ⅰ模沖下降，并且上Ⅱ模板通過碟簧將壓力傳遞給上Ⅱ模沖，處于最低點的上Ⅱ模沖首先與松裝粉末接觸，因為其要比其他兩個上模沖多伸出一段移粉距離，此距離是圖4所示B部分厚度的兩倍為11mm，所以它會將松裝的粉末擠向四周，即將B部分多余的粉末移向粉末裝填量少的A、C部分，這樣就實現了移粉功能。當模沖接觸粉末時，上模沖就開始受到粉末體向上的作用力，碟簧就會受到上Ⅱ模沖向上的壓力而被壓縮，上Ⅱ模沖隨之向上移動，當到達限位臺階位置時，上Ⅱ模沖就到達了如圖6所示的最終成形位置。壓坯通過各模沖、芯棒以及陰模將壓坯壓實成形，模具處于成形位置時，各個模沖的高度差即為產品各個相對應臺階面的高度。用此方案壓制的壓坯就可以直接將各臺階面壓制成形不需要后序的機械加工，簡化制造工序，而且“移粉機構”在壓制開始時就將多余的松裝粉末移除，使得所壓制的壓坯密度進一步改善，密度均勻性得到很大提高。

4 結論

通過對原有粉末冶金汽車同步器齒轂模具設計方法的分析，本文設計了帶有“移粉機構”的模具，該改進方法可以將壓制此粉末冶金汽車同步器齒轂的工序簡化，做到無切削加工，并且改善原有壓坯密度分布不均的情況，使零件的力學性能得到進一步提高。實踐證明此模具設計方案完全可以達到上述目的。

[1] 周作平,申小平. 粉末冶金機械零件實用技術[M].北京：化學工業出版社,2006.

[2] 羅宗強,劉華,周玉山.粉末冶金壓力機的發展現狀與展望[J].機械工藝師,2000,10.

[3] 葉丹茜.50型無螺紋塑料三通的注塑模具設計[J].制造業自動化, 2012,7(34).

[4] 印紅羽,張華誠.粉末冶金模具設計手冊[Z]..北京：機械工業出版社,2002.

[5] 吳成義,張麗英.粉體成形力學原理[M].北京：冶金工業出版社, 1997.

[6] 申小平,許桂生.粉末冶金壓坯缺陷分析[J].粉末冶金技術,2012.8.

[7] 黃培云.粉末冶金原理(第2版)[M].北京：冶金工業出版社,1997.