粉末冶金結構零件鉚接工藝研究與應用

龐亨江，謝鋒

（東風格特拉克汽車變速箱有限公司，湖北 武漢 430000）

1 引言

近年來，通過不斷引進國外先進技術，逐步與自主開發創新相結合，中國粉末冶金產業和技術都呈現出高速發展的態勢，是中國機械通用零部件行業中增長最快的行業之一，每年全國粉末冶金行業的產值以35%的速度遞增[1][2]。

粉末冶金技術具有節能、省材、性能優異、產品精度高、且穩定性好等一系列優點，部分用傳統鑄造方法和機械加工方法無法制備的材料和復雜零件也可用粉末冶金技術制造。如今，汽車行業中粉末冶金制成的結構零件裝配占據了重要位置，有時往往還需要將粉末冶金零件與其他材料相連接，制成一體零件。其中鉚接因連接變形小、對連接環境要求低、操作方便，在批量生產的無須拆卸的裝配體零部件產品上被廣泛運用，特別適合薄件連接。本文將研究粉末冶金零件鉚接的工藝方法，并用實例來證實粉末冶金件鉚接的可行性。

2 產品應用環境介紹

本文介紹的是某汽車變速箱駐車系統零件，零件由異形粉末冶金件、薄壁沖壓件、向心滾針軸承總成組成，見圖1。

該零件主要工作原理是通過異形粉末冶金件沿軸心旋轉，而使其凸輪結構實現相應功能，薄壁沖壓件的內壁作為滾針軸承的滾道面，該零件與粉末冶金件采用過盈配合。根據產品設計要求，旋轉過程中要防止薄板沖壓件從粉末冶金件中松脫。該組件在臺架試驗中不能發生沖壓件脫出粉末冶金件從而影響產品旋轉功能，導致發生故障。

該產品初期設計時采用薄板沖壓件和粉末冶金件壓裝的方式，配合方式為過盈配合，試制產品在臺架試驗中有松脫現象，為防止在運行過程中沖壓件與粉末冶金件分離，需采用特定的方式連接，由于兩種零件的含碳量均高于0.5%，且沖壓件屬于薄壁零件，不適于采用焊接工藝。采用膠粘的固定方法，對零件配合面的潔凈度及表面質量要求較高，工序復雜勞動強度大。膠粘劑的揮發性對環境的污染以及對操作人員身體健康的影響都是巨大的，且使用膠粘和的零件仍然存在運行過程中受環境的影響而存在連接失效的風險。采用鉚接的方式對粉末冶金件與沖壓件進行連接，實現了兩者的可靠固定連接，連接后的零部件經裝配后的測試，能夠滿足產品的設計和使用要求。

圖1 產品組件

3 粉末冶金結構件鉚接工藝要求

圖1 中產品為粉末冶金件與薄板沖壓件的鉚接。要求裝配完成后，粉末冶金件和鉚釘不能產生裂紋；為了保證產品的合格率和可制造性，鉚釘頭包絡圓直徑應滿足公差要求，根據包絡圓直徑轉化計算，鉚釘頭的直徑范圍應控制在（4.8-5.6）mm；通過對此分總成的軸向尺寸鏈分析，薄板沖壓件和粉末冶金件的軸向位移不能超過0.5mm。產品經檢測無法達到工藝要求則會造成產品失效。

通過對粉末冶金件材料的機械性能的研究及選擇、鉚釘的選擇及裝配方法的設計以及鉚接方式的研究綜合考慮，制定出合理的鉚接工藝，可提高粉末冶金件材料制成的零件的鉚接后產品合格率。

4 鉚接工藝方案設計

4.1 粉末冶金件機械性能研究，材料的選擇

由于粉末壓制而成的壓坯，其內部的孔隙不能完全消除，粉末冶金件的物理力學性能較差，即使選擇熱處理狀態的粉末冶金，抗拉強度也只能達到700Mpa，因此，粉末冶金的制品在強度和韌性上與相應成分的鑄件、鍛件相比要差，導致在鉚接過程中易產生鉚接微裂紋，影響總成產品的性能[3][4]。為選擇合適的粉末冶金的材料，開展如下分析：

分析對象：孔最薄壁厚度為2.3mm；

分析目的：確定最薄壁厚處鉚釘孔部位的強度；

判斷準則：采用第四強度理論的屈服準則判斷，即Vonmiss 等效應力應小于屈服強度。

通過定義邊界調節，對分析對象施加不同載荷，利用相關分析軟件進行求解。

邊界條件：

（1）固定凸輪環底部，約束X，Y，Z 向位移為0；

（2）對銷孔施加壓力PREESURE。

施加載荷：對分析對象施加不同的載荷，見表1：

表1 不同載荷及等效徑向施加力對照表

利用分析軟件求解器對目標對象進行求解后，得到不同載荷下的計算結果，圖2 為受力圖及不同載荷下的應力云圖。

圖2 邊界受力圖及不同施加力下的應力云圖

從分析結果可知，銷孔施加壓力為400MPa 時，其最大應力為683.2MPa；銷孔壓力為500MPa，其最大應力為801.7MPa；銷孔施加壓力為600MPa 時，其最大應力為815MPa。通過對不同粉末冶金材料進行比較分析，最終選擇MIBA SE4316 這種材料作為產品的粉末冶金材料，該材料的機械性能見表2. 采用了特殊的粉末材料及工藝得到的粉末冶金材料，其物理力學性能得到極大提升，從表中可知其屈服強度達到745MPa，抗拉強度為970Mpa。

表2 MIBA SE4316 材料的機械性能參數表

4.2 鉚釘的選擇及鉚釘防轉動設計

鉚釘分為實心鉚釘、抽心鉚釘及特種鉚釘三大類。由于該分總成需要采用裝配線裝配，采用抽芯鉚釘在定位和夾緊上不易實施，故考慮采用實心鉚釘。實心鉚釘可分為圓頭鉚釘、大扁頭鉚釘等。考慮到對手件的設計強度，且鉚釘需要盡量扁平化，故選擇采用大扁頭鉚釘。

該組件在汽車行駛過程中會做旋轉運動，為防止鉚釘在組件運轉過程中發生松動。需要考慮增加鉚接的防松設計，如圖3 所示。將薄板沖壓件的兩個鉚釘孔與中間大孔中心形成的夾角設計為20.51°，而粉冶件的兩個鉚釘孔中心與大孔中心形成的夾角設計為21.7°，二者壓裝配后因大孔中心重合，因此會在粉冶件上形成一個月牙型臺階。鉚接時鉚釘材料通過擠壓會在月牙型臺階上形成堆積，從而提供了一個可防止鉚釘轉動的阻力。

圖3 鉚釘防轉動設計原理圖

4.3 鉚接方法的設計

圖4 旋鉚方式原理圖

考慮粉末冶金件材料特性，在鉚接過程中應盡可能減少對粉末冶金件鉚釘孔的壓力。因粉末冶金件的韌性較差，若采用直接壓鉚的方式進行鉚接，鉚釘在粉末冶金件孔壁內產生較大的擠壓力，從而增加了粉末冶金件開裂的可能。經分析旋鉚工藝能夠極大的減小孔內壁的擠壓力。旋鉚動作包括徑向運動和軸向運動。徑向運動是由偏心主軸帶動球面副形成徑向運動軌跡，軸向運動是由偏心主軸與鉚座形成偏心角度進行軸向運動，因此鉚接安全穩定，無晃動。旋鉚機鉚接時鉚頭以一定的擺動角度與需要鉚接的工件（鉚釘）接觸，這種鉚接方式與傳統的壓鉚機、吹鉚或沖壓鉚不同，旋鉚機是通過擺動鉚接方式使鉚釘局部變形逐漸延展到整體，消除內應力，防止鉚釘墩粗、彎曲、變形等，有效提高鉚接表面光潔度，從而達到理想的鉚接效果，旋鉚方式設計原理圖見圖4 所示。

5 實施效果

根據確定的粉末冶金材料、鉚釘材料及鉚接工藝，試生產3 批零件，進行產品工藝要求驗證。

5.1 軸向位移驗證

粉末冶金件與沖壓件采用旋鉚方式連接后，對通過臺架試驗的組合件，進行如圖6 標識的三個測量點進行測量。

圖6 軸向位移測量

從圖中可以看出三個測量點試驗前后的測量結果，將測量后的結果歸納起來，見表2。

表2 軸向位移測量統計表

從測量后的結果可以看出，實驗前的厚度與試驗后的厚度差值最大為0.47mm，完全滿足產品軸向位移≤0.5mm 的要求。

5.2 開裂情況驗證

對旋鉚后的部件進行線切割后，采用著色探傷的方法確認[5]，未見粉末冶金件在鉚接后存在裂紋，圖7 為著色探傷的零件圖。

圖7 著色探傷的零件圖

5.3 壓出力情況驗證

壓出力是評判連接件連接可靠的重要指標，對產品性能及可靠性有重要影響，通過制定測試方案，進行壓出力的測量，從而比較鉚接后的部件與未鉚接直接壓裝的零件壓出力大小。其試驗方案如下[6]：

（1）準備工裝，零件，見圖8 所示。

圖8 試驗工裝及測試零件實物圖

（2）對部件中的沖壓件進行切割，露出支撐面，如圖9所示。

圖9 切割后的零部件實物圖

（3）通過壓力機施加力壓出沖壓件，同時記錄壓出力數據，試驗裝置及測試儀器見圖10 所示。

圖10 試驗裝置實物圖

對鉚接后的20 件零件進行壓出力試驗得到鉚接后的部件與未鉚接直接壓裝的零件壓出力大小，如圖11 所示。從圖中可以看出，鉚接后的零部件壓出力大小為4504.65N，而未鉚接直接壓裝的零件其壓出力為3761N，鉚接后的壓出力有較大幅度的上升，說明該連接方案在結合力增加上的有效性。

圖11 壓出力箱線圖

在實際的鉚接過程中，應綜合考慮每個方面的因素，通過相互配合調整涉及到的各個參數，采用規范化的操作流程，才能獲得滿意的鉚接效果。

6 結論

本文通過對粉末冶金結構零件與沖壓件鉚接工藝的研究，分析了粉末冶金件鉚接特點以及可能產生的鉚接缺陷，通過對粉末冶金件材料的調整以及受力狀態的控制，極大提高了粉末冶金結構零件鉚接后的產品合格率。在本文提到的采用鉚接方式連接的駐車系統零件目前已進入批量生產狀態，說明了粉末冶金結構零件是具有可鉚接性的。本文提到的工藝方法對其他涉及到粉末冶金結構件的連接中亦可進行鉚接工藝來實現。