粉末冶金凸輪軸信號盤的研發

摘要：根據產品的結構及使用工況情況，合理運用粉末冶金成形和燒結原理，實現了上二下三凸輪軸信號盤的自動成形、自動整形；正確選用材質以及工藝，使產品尺寸、性能滿足了工況使用要求。

關鍵詞：凸輪軸信號盤；粉末冶金；尺寸精度

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

發動機是汽車的動力源，而信號盤相當于控制發動機的開關，其相位角度的設計及精確控制，對發動機各個氣缸的協調工作起著至關重要的作用，信號盤提供信號給轉速傳感器，轉速傳感器再把信號傳遞給ECU，ECU收到該信號就控制發動機噴油及點火。當信號盤旋轉時，磁路中的氣隙就會周期性地發生變化，磁路的磁阻和穿過信號線圈磁頭的磁通量隨之發生周期性變化。根據電磁感應原理，傳感線圈中就會感應產生交變電動勢，而產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；由于電磁感應式傳感器輸出電壓的峰值隨轉速的大小而變化，在發動機啟動時的低速狀態下，感應電壓很低，也需要信號盤的信號齒具有良好的磁感應性能，以提高信號輸出靈敏度。

1 產品設計

1.1 產品性能設計

凸輪軸信號盤是傳感器的信號轉子，裝配在凸輪軸上，利用其外圓的4個凸齒，在磁場里旋轉過程中產生周期性交變電動勢，控制發動機點火順序，保證點火正時。主要利用其良好的磁感應性能及精確的相位角度，保證發動機各個氣缸的協調工作，因其產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有嚴格的限制。

1.2 產品結構設計

凸輪軸信號盤產品見圖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。信號盤每轉過一個凸齒，傳感器中就會產生一個周期性交變電動勢，并相應地輸出一個交變電壓信號，故凸輪軸旋轉一周會有4個交變信號產生，ECU每接收4個信號，即可知道凸輪軸旋轉了一圈。

2 工藝方案設計

產品內孔精度等級較高，達到了8級精度，銷孔精度達到7級；產品外圓信號齒角度的精確性關系到裝機后信號的準確性，另外根據產品的使用工況，要求產品具有較低的剩磁強度，較高的齒部密度。產品主要技術要求如表1所示。

根據上述分析，結合供應商實際生產情況，確定此零件的生產應該包含以下主要工序：

（1）成形：保證產品的外形以及密度要求，如相位角度，內孔尺寸；

（2）燒結：保證產品基本性能的要求，如強度、硬度、密度等；

（3）整形：對燒結變形的產品進行外形的校正，同時提高內孔以及信號齒角度的精度；

（4）鉆孔、鉸孔：保證產品銷孔達到要求。

（5）退磁：保證產品有較低的剩磁強度。

3 成形方案設計

3.1 方案設計以及壓機選擇

（1）考慮產品的工藝性能、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機械加工。

（2）通過產品結構分析，零件上端面1個臺階面，下端面2個臺階，整體上構成一個典型的上二下三結構的粉末冶金結構件，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，采用臺階陰模結構取代了1個下模沖。

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

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

（3）通過產品結構計算此產品所需壓制壓力，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，以及成型過程中粉末的移動以及供應商成型壓機的特點、模架結構，為充分體現粉末冶金的特點，此次選擇帶用上三下三模架的機械式S-200T壓機。

3.2 模具參數設計

新開發凸輪軸信號盤模具設計主要參數如表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→機械手夾持脫出產品。

（1）裝粉：因為該零件壁厚較薄，粉末之間會產生拱橋效應，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，上沖與陰模繼續下行直至陰模落在擋塊上，調整陰模和外浮動沖的壓制速率，避免因非同時成形而產生裂紋。

（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、下內沖、芯棒。脫模時要注意采用保護脫模，即脫模過程中上模沖給予產品一定的壓力，待下外沖脫出陰模的同時撤去上外沖的保護壓力，上內沖繼續保持壓力，直至下內沖脫出陰模，最后中心缸將芯棒抽回。保護脫模可以避免產品出現掉塊、裂紋等外觀缺陷。

成形裝配示意圖如圖3所示。

4 材質工藝設計

原材料選擇依據：根據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，故碳含量應盡量低。同時，磁感應強度和產品的密度值有直接相關，密度越高，磁感應強度越高。矯頑力和磁導率都對燒結條件和間隙雜質敏感，燒結溫度越高和雜質含量越少，矯頑力場就越小，磁導率就越高。燒結溫度越高，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）壓制性和穩定性好，磁性材料，傳遞信號部位密度越高，磁感應強度越高，傳遞信號就越準確。磁性粉末又必須同時具備穩定的粒度分布與粒度組成且化學成分均勻、無偏析、穩定的流速以及穩定的松裝密度等重要特性。由于在混料中可能產生的不均勻，包括比重偏析在內的混合料不均勻性，在燒結中因燒結溫度和保溫時間及壓坯密度不均勻等造成的擴散不充分，則會引起組織不均勻，并使零件性能產生波動。而采用Fe-Cu-C粉末原料，因Fe和Cu的比重相差不大，不容易發生偏析[2]，且Cu相對較軟，能提高壓制性能。

（3）尺寸穩定性，凸輪軸信號盤信號齒角度精度越高，傳遞信號的準確度就越高，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溫度和較長的燒結時間。而燒結溫度越高，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，既能穩定產品尺寸變化，提高強度、韌性，還能提高密度，降低孔隙率，后續再通過整形對零件的尺寸以及形位公差進行校正。既保證了可靠磁性能，又保證了產品強度、韌性及尺寸要求。

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

根據以上提出的材料性能要求，經過性能試驗對比和燒結綜合參數測定，結合現有的材料標準提供的相關材質達到的性能指標，選取Fe-Cu-C材料。

綜上所述，選取供應商牌號為F1407的鐵粉，其性能參數如表3所示。

5 燒結工藝設計

為保證凸輪軸信號盤在燒結過程中具有理想的金相組織，穩定的尺寸，結合供應商現有設備實際特點，選用德國進口的步移梁式燒結爐，步進梁式燒結爐具有以下優點：

（1）能夠實現高溫燒結，提高燒結溫度可以提高生產效率，實踐中發現提高55℃燒結溫度對致密化程度的影響效果相當于延長燒結時間幾十倍或幾百倍[4]。

（2）在工作過程中可提供連續的、可重復的時間-溫度-氣氛曲線，這在粉末冶金生產中非常重要，當爐子的舟速一定時，各個溫度可控帶設定的溫度以及氣氛組成、氣氛流量已經確定時，則通過該燒結爐的所有壓坯都是在一組相同的工藝參數下燒結的，結果是建立了一條穩定的加熱曲線，這就保證了燒結零件的質量即零件尺寸、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；依據所選燒結爐制訂燒結爐工藝，即各區溫度、燒結速度，以及氣氛流量的大小，結合燒結爐的結構、負荷的大小、加熱時間以及保溫時間并結合粉末具體參數變化，確定了以下擺放方式，即采用架燒模式，產品4x4均勻擺放在石墨墊板上，產品間隔10～20 mm，如圖4所示。

6 整形工藝設計

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、平面度以及內孔精度，必須對燒結后的毛坯進行全整形，即內外徑以及高度方向均產生塑性變形。全整形塑變充分，產品出模后彈性回彈小，制品的內外徑尺寸精度可達到IT6-7級[5]，滿足本產品設計要求。

6.2 整形方案設計

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

（2）理論上整形時應先讓下外模沖和上模沖接觸產品，再讓下內沖接觸產品，這樣可以避免產品在臺階圓角處出現裂紋，實際上整形時壓下量只有0.1 mm左右，在壓機上不易測量，可根據產品出模后的狀態做進一步的調整。

6.3 壓機的選擇

根據產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，同時該產品的整形壓力經過計算需要100 T左右，結合供應商的實際情況，選擇帶有上二下三結構模架的315 T液壓機。整形裝配圖如圖5所示。

7 后加工工藝設計

凸輪軸信號盤銷孔精度達到7級，其位置與產品外圓齒開口角度的位置關系精確度關系到裝機后信號的準確性，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，設計了專用夾具及檢具，保證產品質量。

（2）量產后考慮使用專機加工，設計一套專用夾具，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 產品的性能及尺寸測試結果

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

產品所有關鍵尺寸PPK>1.67，過程能力充分。

9 結論

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

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

參考文獻：

[1] 黃培云.粉末冶金原理[M].北京：冶金工業出版社，1997.

[2] 韓鳳麟.粉末冶金零件設計與應用必備[M]. 北京：化學工業出版社，2001.

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

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

[5] 韓鳳麟粉末冶金設備實用手冊[M].北京：冶金工業出版社，1997.