孙玉龙
天津市祥威传动设备有限公司 天津市 300380
摘要：粉末冶金新材料、新技术、新工艺及新装备不断涌现，粉末冶金制造工程随之在社会经济发展中有着不可取代的地位。粉末冶金凸轮轴正时齿轮工艺的优势在于能生产最终形状零件，保证高效率、高精度的加工，具备省材、节能的显著特点，只需要少量切削加工，就可以大大降低生产成本。同时，对粉末冶金凸轮轴正时齿轮的形状、精度以及生产过程的控制也十分重要。
关键词：凸轮轴正时齿轮；工艺；模具
1凸轮轴正时齿轮的工艺分析
1.1产品要求
图1所示为粉末冶金凸轮轴正时齿轮产品简图，此产品为混合动力自动变速器凸轮轴正时齿轮，采用粉末冶金SMF4025M原材料，成品密度为6.6g/cm3,表面硬度在1070HV以上；外齿圆度要求在0.04mm以内；φ36mm内孔与φ120mm外径同轴度0.1mm以内。
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图1 粉末冶金凸轮轴正时齿轮
1.2工艺分析
凸轮轴正时齿轮外齿壁较薄，且外齿形状不能进行机械加工，需要一次性压制成形，产品深台处深度较深，为直台。根据以往经验，压制产品脱模时，在外齿表面易形成表层裂纹，影响产品外观质量，如做成有3°～5°锥度深台，在模具上做单边3°～5°脱模锥度，使压制后产品易于脱模，同时不影响产品质量与使用情况。与客户沟通协商后，同意在外齿内径处增加单边5°锥度，产品外齿圆度要求在0.04mm以内，外齿直径较大，中间部位为四个异形孔。根据以往经验，烧结后变形较大，不能满足产品要求，需要增加精整工序。内孔直径φmm公差较小，与外径还有同轴度0.1mm要求，用压制模具保证较困难，采用后序以外齿定位，车削内孔方式满足产品要求。凸轮轴正时齿轮生产工艺路线拟定为：混料—压制—烧结—精整—精车内孔—去飞边—蒸汽处理—检验—防锈处理—包装。
1.3粉末压机选用和模架选用
先用creo三维软件建模，精确查询凸轮轴正时齿轮的压制投影面积为52cm2，压制毛坯质量为330g。根据压制力公式P＝pS（p为单位压力，S为压制投影面积）计算，压制齿毂产品需要285t压力。根据产品形状结构，应采用“上二下三”模具压制，深台面为下面，结合我公司现有粉末自动成形压机，选取450t“上三下三”模架粉末油压机。
2模具工艺分析
2.1参数选取
在设计模具时要充分发挥粉末冶金少切削或无切削的工艺特点，从而保证压坯质量。压制模具应便于操作和调整，具有足够的强度、刚度、硬度和耐磨性。凸轮轴正时齿轮模具设计的工艺参数包括SMF4025M材料的松装密度、压坯的回弹率、烧结收缩率、精整余量和回弹量，在设计压制模具时必须应充分考虑。
2.2脱模
凸轮轴正时齿轮产品中间有四个大的异形孔，如果单独做成四个模冲，会使压制模具复杂化，同时制作模具的成本也会大大增加。如果做在压制下二冲上，在其上部形成四个异形凸起，这样模具大大简化，同时模具强度也完全可以满足要求。为了四个异形孔处脱模方便，在四异形凸起上做单边1°脱模锥度，使产品在筋板处脱模顺利，减小脱模力。
2.3制作分体模具
凸轮轴正时齿轮产品直径较大，压制下二冲模具和压制上二模具长度较长（280mm），制作模具时模具料使用很多，模具制作周期长，成本高。如果压制下二冲模具和压制上二模具做成分体模具，不参加成形部分做成模具座，这样模具制作成本会大幅度下降，同时模具制作周期也会缩短。
2.4压制模具设计
压制阴模是用于装料的型腔，其他模具零件必须依靠压制阴模配合和导向，这是压坯获得需要外形及其尺寸精度的根本保证，必须有较高的使用性能、形状、尺寸精度和几何公差。压制阴模采用双层组合结构，沿脱模方向设计有2°、长为3mm的脱模锥度，阴模口有R0.5的圆滑过渡，保证压制产品顺利脱模，不产生脱模裂纹。凸轮轴正时齿轮压制阴模，选用YG15硬质合金材料，YG15具有耐磨性好、抗疲劳性强的特点，适用于大批量产品模具。芯棒是成形压坯内形的模具零件，使用时，受粉末反复磨擦，与模冲配合。芯棒是压坯内孔形状及尺寸精度的根本保证。压制芯棒扁与圆相交处产品图中未标倒角，但凸轮轴正时齿轮压制时，尖角磨损严重，不能批量生产，必须增加一个小的圆角，与客户沟通后，可以增加R0.5，不影响产品使用。压制芯棒材料选用SLD，热处理硬度58～60HRC，在保证耐磨性、硬度的同时，具有一定韧性。
如图2所示，下一冲、下二冲、下三冲、上一冲和上二冲是成形压坯端面，并把压制力传递给压坯的模具零件。模冲承受载荷大，同时其端面受粉末摩擦，与各冲相配合，实现成形过程的各种动作要求。模冲要求有好的耐磨性以及一定的韧性，同时结构上还应便于制造和维修。模具形状按模具设计分析方法制作，模具材料选板DC53材质，热处理硬度为56～58HRC。根据以上工艺分析、模具设计分析，设计出粉末冶金凸轮轴正时齿轮模。
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图2 压制模具装配
2.5生产试制
本套模具经过批量的生产验证，完全达到了设计的预期。压制毛坯没有出现外齿表面裂纹，压坯密度达到图样要求，压坯产品顺利脱模，压坯尺寸和形状精度完全合格，模具的使用寿命也达到了预期的时间。
3结束语
本文通过对粉末冶金凸轮轴正时齿轮的生产工艺过程分析，从模具的选材、模具结构和以往经验等方面，对凸轮轴正时齿轮压制模具进行优化设计，使模具具有较高使用寿命。同时，生产出来的凸轮轴正时齿轮完全达到了产品图样要求。
参考文献
[1]凸轮轴正时齿轮成形工艺分析与压制模具设计[J].谷文金,孙立臣.汽车制造业.2020(13)
[2]凸轮轴正时齿轮的工艺方案设计[J].潘健,孙鹏,刘有峰.金属加工(冷加工).2020(S1)