材料研究学报
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浅议高强度铁基粉末冶金材料的应用

  论文导读:粉末冶金制品的形状千差万别,只有易于用粉末冶金方法压制,才能充分发挥粉末冶金技术的优势和保证产品的质量要求。本文针对高性能铁基粉末冶金材料的工程化应用问题,开展了电动工具粉末冶金螺旋伞齿的结构设计和性能研究。

  关键词:高强度,铁基粉末冶金材料,应用

  在模具设计前,必须进行粉末冶金制品的形状设计。制品压坯的形状设计是保证产品使用要求的情况下,从压制过程(装粉、压制、脱模)、模具寿命、压坯质量等方面来考虑,并对制品图线形状作适当的修正。本文是将电动工具中原有的钢制齿轮(材料为40Cr)用粉末冶金材料代替,并针对以下内容进行了二次设计:(1) 在原有钢制齿轮齿形的基础上对粉末冶金齿轮的齿形齿廓进行二次设计;(2) 对实际啮合的粉末冶金烧结齿轮的尺寸修正;(3) 粉末冶金齿轮齿面接触强度和齿根弯曲强度的理论校核。

  1.齿形齿廓的选择和计算

  选择齿轮材料应考虑如下要求:齿面应有足够的硬度,保证齿面抗点蚀、抗磨损、抗咬合和抗塑性变形的能力;轮齿芯部应有足够的强度和韧性,保证齿根抗弯曲能力。此外,还应具有良好的机械加工、热处理工艺性和经济性等要求。在齿轮传动机构的研究、设计和生产中,一般要满足以下两个基本要求:

  1.传动平稳—在传动中保持瞬时传动比不变,冲击、振动和噪音尽量小。

  2.承载能力大—在尺寸小、重量轻的前提下,要求轮齿的强度高、耐磨性好及寿命长。

  由于螺旋锥齿轮与直齿锥齿轮相比,在使用上有如下优点:

  1)增大了重迭系数。由于弧齿锥齿轮的齿线是曲线,在传动过程中至少有两个或两个以上的齿同时接触,重迭交替接触结果,减少了冲击,使传动平稳,降低了噪音;

  2)由于螺旋角的关系,重迭系数增大,因而负荷比压降低,磨损较均匀,相应的增大了齿轮的负荷能力,增长了使用寿命;

  3)可以实现大的传动比,小轮的齿数可以少至五齿;

  4)可以调整刀盘半径,利用齿线曲率修正接触区;

  5)可以进行齿面的研磨,以降低噪音、改善接触区和提高齿面光洁度;

  6)在传动中产生的轴向推力较大,所以对轴承要求较高,在传动机构中需选用适当的轴承。

  由于上述特点,所以螺旋齿锥齿轮常用于圆周速度较高,传动平稳和噪音较小的传动中。

  通过和直齿锥齿轮的比较,本设计采用螺旋锥齿轮。计算采用的是等高齿锥齿轮,即从齿的大端到齿的小端齿高是一样的,这种齿轮的面角、根角和节角均相等。这样设计不仅减少了大部分的计算,而且对于模具的设计和压制来说更为有利。螺旋锥齿轮齿形参数直接影响齿轮的承载能力、轮齿刚度和传动的动态特性,各参数相互影响、相互制约,其选择的原则是:由各参数确定的齿形,应保证轮齿有较高的弯曲强度和接触强度,最好符合等强度的设计原则。轮齿在啮合时,要求传动平稳,无齿形干涉现象。齿形形状要力求简单以便于制造。

  1.主、从动锥齿轮伞齿轮齿数的选择在选择齿数时,应尽量使相啮合的齿轮的齿数之间没有公约数,以便使齿轮在使用过程中各齿之间都能互相啮合,起到自动磨合的作用。同时,为了得到理想的齿面重叠系数,大小齿轮的齿数和应不小于40。

  2.齿面宽F 的选择对于等高齿锥齿轮来说:在“奥利康”制等高齿锥齿轮上,由于其延伸外摆线的曲率变化比弧齿锥齿轮的圆弧齿线大,因此,齿面宽不宜过大。一般可取F=(0.25 ~ 0.30)A0,A0 为节锥距。

  3.螺旋角β 的选择汽车主减速器锥齿轮的螺旋角多在βm=35~40°范围内。为了保证有较大的mF 使运转平稳、噪音低。依据经验选βm2=36°。

  4.法向压力角α 的选择大压力角可以增加轮齿强度,减少齿轮不产生根切的最少齿数,但对于尺寸小的齿轮,大压力角使齿顶变尖及刀尖宽度过小,所以在轻负荷工作的齿轮中一般采用小压力角,可使齿轮运转平稳,噪音低。对于本设计中的“奥”制齿轮采用的齿面平均压力角α=17.5°。论文参考网。

  5.齿顶高系数及顶隙系数齿顶高系数取ha*=1;顶隙系数C*=0.25。

  2.实际啮合的粉末冶金烧结齿轮齿形的修正及校核

  压坯密度对于提高和稳定烧结制品的强度与尺寸精度十分重要。为使压坯密度均匀,顺利脱模,结合齿轮设计的特点,对齿形以下几部分进行了改进:

  a.为了增高齿的强度和降低噪声,同时考虑到实际当中齿形模冲加工的特点,对齿轮的齿顶和齿根的齿形进行了修正。

  b.一般压制成形都是沿着压坯的轴向进行的。而制品中径向(横向)的孔、槽、健、螺纹和倒锥,通常是不能压制成形的,需要在烧结后用切削加工来完成的。论文参考网。但本齿轮的键槽是轴向的,并不影响压坯的脱模。

  c.从节省原料和不影响安装的角度考虑,把原来的三个定位凹坑改成花键式,而且不影响脱模,且能节省原材料。

  通过对改进后的齿形进行载荷计算和齿面接触强度的理论校核,结果说明所设计的齿形参数能够满足服役要求。

  3.齿轮模拟台架试验

  将上述材料的大齿轮,分别在100℃、200℃和250℃回火,硬度分别为HRC43~45、HRC38~40、HRC30~32;之后装机进行实验,对磨件为40Cr钢,硬度HRC48。台架试验记录结果:

  第一套齿轮(硬度HRC43~45):经装机试验当试验到1.5h时,出现声音异常,拆机检查,小齿轮打崩二个齿,但大齿轮完好;换上钢制的小齿轮,淬火硬度HRC42~43,经测试10h,机器正常,拆机检查,磨损正常,即进行第二个项目测试 (空载实验) 55h,拆机检查,一切磨损正常,(其中换了一个转子,碳刷3副);之后进行模拟实验,运转到10.5h时,机器冒烟,烧机,停止测试,拆机检查发现,前轴承爆裂,定转子烧毁,大齿轮打崩一个齿,小齿轮磨损比大齿轮严重。经分析原因:大齿轮打崩是因为前轴承爆裂,而造成转子乱跳而产生的,是意外发生的现象,并非齿轮强度问题所造成的,所以其材料可以继续试验。

  第二套齿轮(大齿轮硬度HRC38,小齿轮HRC42(材料 40Cr):进行模拟试验运转16h时转子烧毁,拆机检查,齿轮磨损正常,换转子继续进行,运转26.5h时电机烧毁拆机检查,齿轮磨损正常。换电机继续进行,运转7.5h时电机烧毁拆机检查,齿轮磨损正常。再换电机继续进行运转12h时电机烧毁拆机检查,齿轮磨损正常。换电机继续进行,运转17h时电机烧毁,拆机检查,齿轮磨损正常。论文参考网。再换电机继续进行,运转15h电机烧毁,拆机检查,齿轮磨损正常。停止试验。

  第三套齿轮(硬度HRC30~32,小齿轮HRC35,大小齿轮均为粉末冶金材料):经装机试验,通过工况测试,磨损正常;第二个项目测试 (空载实验) 30h时,大齿轮小齿轮磨损严重,停止测试。结论:硬度太低而造成磨损。在本测试条件下,渗碳烧结齿轮材料耐磨性优于意大利和40Cr材料;在本测试条件下,改进后齿形传动平稳,降低噪音;由此可以认为,本课题研制的新材料和完成的齿轮齿形设计能满足电动工具的使用要求。

  【参考文献】

  [1]李华彬,何安西,曹雷,扬健,李学荣。Cu/Fe复合粉的性能及应用研究[J].四川有色金属, 2005,(01)。

  [2]程继贵,夏永红,王华林,徐卫兵。聚苯乙烯/铜粉温压成型的研究[J].工程塑料应用,2000,(06)。

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